Ионный звук поможет обнаружить космический мусор

Регистрация ионно-звуковых волн, порождаемых объектами, которые движутся в околоземной космической плазме, позволит определить их местоположение.

Космический мусор – это отслужившие свой срок космические аппараты и их фрагменты, пыль от твёрдотопливных ракетных двигателей, хлопья отлетевшей краски, замороженные капли жидкости и т.п. По состоянию на 2019 год Сеть космического наблюдения США сообщила о почти 18000 искусственных объектах на орбите над Землей. По оценкам там находится более 128 миллионов обломков размером менее 1 см, около 900 000 обломков размером 1–10 см и около 34 000 обломков размером более 10 см. К рукотворному мусору следует добавить и нерукотворные объекты – метеороиды (небесные тела, имеющие размер в промежутке от космической пыли до астероидов), находящиеся на околоземной орбите. Поскольку скорость движения мусорных объектов может достигать 10 км/с, даже фрагменты размером в несколько микрон могут нанести серьезные повреждения космическим аппаратам. Для сравнения, человеческий глаз не способен разглядеть частицы размером менее 40 микрон.

Работы по мониторингу космического мусора ведутся давно, в том числе и в России, с помощью радиолокационных и оптических устройств, но так можно отследить лишь достаточно крупные объекты. Наблюдение за волнами, которые возникают в плазме в результате движения мусора, заряженного под воздействием солнечного излучения и других видов космической радиации, может стать одним из методов непрямого обнаружения опасных объектов.

Исследователи из НИТУ «МИСиС» (Москва) и Института ядерной физики в Калькутте предложили новый способ обнаружения космического мусора с помощью регистрации ионно-звуковых волн, возникающих в результате движения мусорных объектов в околоземной космической плазме на низкой орбите. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysics and Space Science.

Плазма состоит из заряженных частиц, и движение в ней заряженного мусора оказывает влияние, схожее с процессом образования волн на воде. В результате в плазме возникают так называемые ионно-звуковые волны, связанные с колебанием ионов. Они представляют собой распространение уплотнения в плазме, потому и называются акустическими, по аналогии со звуком, который тоже представляет собой волну уплотнения, но в воздухе. Плазма – среда нелинейная, т.е. её характеристики зависят от самой волны. Поэтому при достаточно высокой амплитуде ионно-звуковые волны становятся нелинейными (они влияют на среду, а та влияет на них) и преобразуются в солитоны – уединённые волны, сохраняющие свою форму при распространении. Отличительная черта солитонов – при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а продолжают движение, сохраняя свою структуру неизменной.

Исследователи разработали математическую модель и рассчитали точные параметры солитона, возникающего при движении заряженного космического мусора в плазме. Оказалось, что изменение источника волн во времени и в пространстве приводит к появлению ускоренных солитонов, а не обычных, движущихся с постоянной скоростью. Авторы определили, как именно свойства солитонов определяются положением и скоростью движения частиц космического мусора. Это делает возможным их обнаружение по специфичным солитонам, которые они создают. Таким образом, предложенный подход может стать теоретической основой принципиально нового метода мониторинга космического мусора.

Источник