ESA / Space Safety / Space weather
Καμία επικοινωνία ή πλοήγηση, βλάβες στα ηλεκτρονικά συστήματα και κίνδυνος σύγκρουσης. Στο κέντρο ελέγχου αποστολών της ESA στο Ντάρμσταντ, οι ομάδες βρέθηκαν αντιμέτωπες με ένα σενάριο χωρίς προηγούμενο: μια ηλιακή καταιγίδα ακραίας ισχύος. Ευτυχώς, αυτός ο εφιάλτης δεν συνέβη στην πραγματικότητα, αλλά αποτέλεσε μέρος της εκστρατείας προσομοιώσεων για τον δορυφόρο Sentinel-1D, που έθεσε σε δοκιμασία τα όρια των επιχειρήσεων στο διάστημα και της ετοιμότητας απέναντι στα φαινόμενα διαστημικού καιρού.
Πριν από κάθε εκτόξευση της ESA, οι ομάδες της αποστολής περνούν από μια αυστηρή φάση προσομοιώσεων, η οποία αναπαριστά τις πρώτες στιγμές ενός δορυφόρου στο διάστημα, προετοιμάζοντας το κέντρο ελέγχου για οποιαδήποτε ανωμαλία. Από τα μέσα Σεπτεμβρίου, οι ομάδες του Ευρωπαϊκού Κέντρου Διαστημικών Επιχειρήσεων (ESOC) της ESA, στο Ντάρμσταντ της Γερμανίας, βρίσκονται βυθισμένες σε προσομοιώσεις για τον Sentinel-1D, που έχει προγραμματιστεί να εκτοξευθεί στις 4 Νοεμβρίου 2025.
Για να μοντελοποιηθεί ένα από τα πιο ακραία πιθανά σενάρια, οι υπεύθυνοι των προσομοιώσεων εμπνεύστηκαν από το διαβόητο συμβάν Carrington του 1859 – τη ισχυρότερη γεωμαγνητική καταιγίδα που έχει καταγραφεί ποτέ. Η άσκηση αναπαρήγαγε τις επιπτώσεις μιας καταστροφικής ηλιακής καταιγίδας στις επιχειρήσεις ενός δορυφόρου, προκειμένου να δοκιμαστεί η ικανότητα της ομάδας να ανταποκριθεί χωρίς δορυφορική πλοήγηση και υπό σοβαρές ηλεκτρονικές διαταραχές.
Ηλιακή έκλαμψη όπως καταγράφηκε από το Solar Orbiter
«Αν ένα τέτοιο γεγονός συνέβαινε πραγματικά, δεν θα υπήρχαν καλές λύσεις. Ο στόχος θα ήταν να διατηρηθεί ο δορυφόρος ασφαλής και να περιοριστούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι ζημιές», δηλώνει ο Thomas Ormston, αναπληρωτής υπεύθυνος επιχειρήσεων διαστημοπλοίων για τον Sentinel-1D.
Η συγκεκριμένη εκστρατεία περιλάμβανε μια σπάνια ενεργοποίηση του Κέντρου Ασφάλειας Διαστήματος της ESA από το Γραφείο Διαστημικού Καιρού, το οποίο εγκαινιάστηκε το 2022, στο πλαίσιο της αυξανόμενης δέσμευσης του Οργανισμού στην ασφάλεια του διαστήματος. Στην άσκηση συμμετείχαν επίσης το Γραφείο Διαστημικών Συντριμμιών της ESA και οι υπεύθυνοι επιχειρήσεων άλλων αποστολών σε τροχιά γύρω από τη Γη, προκειμένου να ενισχυθεί ο ρεαλισμός, προσομοιώνοντας επιπτώσεις μεταξύ διαφορετικών αποστολών και τον συντονισμό τους.
Χτυπημένοι από ένα «αδέσποτο κύμα» του Ήλιου
Βίντεο από την έκρηξη του Ήλιου κατά τη διάρκεια της ηλιακής καταιγίδας του
Halloween το 2003, όπως καταγράφηκε από το όργανο EIT του δορυφόρου SOHO της ESA/NASA. Οι «γραμμές σαν χιόνι» που εμφανίζονται στις εικόνες αντιστοιχούν στον κορεσμό των ανιχνευτών της κάμερας, εξαιτίας της πρόσκρουσης σωματιδίων υψηλής ενέργειας που προήλθαν από ενεργή περιοχή του Ήλιου.
Η ώρα είναι 22:20 και όλα κυλούν σύμφωνα με το σχέδιο. Μετά από μια επιτυχημένη εκτόξευση και διαχωρισμό, το κέντρο ελέγχου περιμένει να λάβει το πρώτο σήμα του δορυφόρου. Λίγα λεπτά αργότερα, ένα θορυβώδες σήμα φτάνει στο κέντρο ελέγχου. Κάτι δεν πάει καλά.
Το διαστημόπλοιο —όπως και άλλα σε τροχιά— δέχεται πλήγμα από μια ηλιακή έκλαμψη. Καθώς ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός, αυτό το ηλεκτρομαγνητικό κύμα φτάνει στη Γη μόλις οκτώ λεπτά μετά την έκρηξή του στον Ήλιο.
Η ομάδα προσομοίωσης έχει αναπαραστήσει μια γιγαντιαία έκλαμψη κατηγορίας X45, με έντονη ακτινοβολία Χ και υπεριώδη που διαταράσσει τα ραντάρ, τις επικοινωνίες και τα δεδομένα παρακολούθησης. Τα δορυφορικά συστήματα πλοήγησης Galileo και GPS βγαίνουν εκτός λειτουργίας, ενώ οι επίγειοι σταθμοί —ιδίως στις πολικές περιοχές— χάνουν τη δυνατότητα εντοπισμού λόγω των εξαιρετικά υψηλών επιπέδων ακτινοβολίας.
Η άσκηση αναπαριστά τις συνέπειες μιας καταστροφικής ηλιακής καταιγίδας στις επιχειρήσεις των δορυφόρων, για να ελεγχθεί η ικανότητα των ομάδων να ανταποκρίνονται χωρίς δορυφορική πλοήγηση και υπό συνθήκες σοβαρών ηλεκτρονικών διαταραχών.
Λίγο αργότερα, η Γη δέχεται και δεύτερο κύμα, αυτή τη φορά από σωματίδια υψηλής ενέργειας: πρωτόνια, ηλεκτρόνια και σωματίδια άλφα. Αυτά, επιταχυνόμενα σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, χρειάζονται 10 έως 20 λεπτά για να φτάσουν στη Γη και αρχίζουν να προκαλούν διαταραχές στα ηλεκτρονικά των δορυφόρων, με αναστροφές bit και πιθανές μόνιμες βλάβες.
«Η ηλιακή έκλαμψη αιφνιδίασε τα μέλη της ομάδας», εξηγεί ο Gustavo Baldo Carvalho, επικεφαλής αξιωματικός προσομοίωσης του Sentinel-1D. «Μόλις όμως ανέκτησαν την ψυχραιμία τους, ήξεραν ότι ένας αντίστροφος μετρητής είχε ξεκινήσει. Μέσα στις επόμενες 10 με 18 ώρες, μια στεμματική εκτίναξη μάζας θα έπληττε τη Γη — και έπρεπε να προετοιμαστούν για την πρόσκρουση».
Καβαλώντας το ηλιακό κύμα
Η ηρεμία πάνω από την καταιγίδα
Δεκαπέντε ώρες μετά την ηλιακή έκλαμψη, ξεκίνησε η τρίτη και πιο καταστροφική φάση: μια τεράστια στεμματική εκτίναξη μάζας (CME) — καυτή πλάσμα φορτισμένων σωματιδίων — που ταξίδευε με ταχύτητες έως και 2000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Χτύπησε τη Γη και προκάλεσε μια καταστροφική γεωμαγνητική καταιγίδα.
Στην επιφάνεια του πλανήτη, εντυπωσιακό σέλας έγινε ορατό μέχρι και τόσο νότια όσο η Σικελία, ενώ η καταιγίδα κατέρρευσε ηλεκτρικά δίκτυα και προκάλεσε επικίνδυνες υπερτάσεις ρεύματος σε μεγάλες μεταλλικές δομές, όπως γραμμές μεταφοράς και αγωγούς φυσικού αερίου.
Στο διάστημα, οι δορυφόροι δοκιμάστηκαν σκληρά. Η καταιγίδα προκάλεσε διόγκωση της γήινης ατμόσφαιρας, αυξάνοντας δραματικά την αντίσταση (drag) στους δορυφόρους χαμηλής τροχιάς και εκτρέποντάς τους από τις κανονικές τους τροχιές. Τα κέντρα ελέγχου δέχονταν διαδοχικές προειδοποιήσεις σύγκρουσης με διαστημικά συντρίμμια ή άλλα σκάφη.
«Αν συνέβαινε μια τέτοια καταιγίδα, η ατμοσφαιρική αντίσταση θα μπορούσε να αυξηθεί έως και 400%, με τοπικές κορυφώσεις στην πυκνότητα της ατμόσφαιρας. Αυτό δεν επηρεάζει μόνο τον κίνδυνο σύγκρουσης, αλλά μειώνει σημαντικά και τη διάρκεια ζωής των δορυφόρων, αφού καταναλώνουν περισσότερο καύσιμο για να αντισταθμίσουν την πτώση της τροχιάς», εξηγεί ο Jorge Amaya, συντονιστής μοντελοποίησης διαστημικού καιρού στην ESA.
Ο Jan Siminski, από το Γραφείο Διαστημικών Συντριμμιών της ESA, προσθέτει:
«Ένα γεγονός τέτοιας κλίμακας θα υποβάθμιζε σοβαρά την ποιότητα των δεδομένων για πιθανές συγκρούσεις. Οι προβλέψεις θα γίνονταν ολοένα πιο δύσκολο να ερμηνευθούν, καθώς οι πιθανότητες αλλάζουν γρήγορα. Έτσι, η λήψη αποφάσεων θα ήταν μια λεπτή ισορροπία μέσα σε μεγάλο βαθμό αβεβαιότητας — μια αποφυγή σύγκρουσης σε ένα σημείο θα μπορούσε να αυξήσει ελαφρώς τον κίνδυνο κάπου αλλού».
Η μαγνητική ασπίδα της Γης αντιδρά
Η ακτινοβολία αυξήθηκε ραγδαία, προκαλώντας ζημιές στα ηλεκτρονικά και στα υλικά.
Τα λεγόμενα “single-event upsets” — μεμονωμένα σφάλματα στα κυκλώματα — έγιναν ακόμη πιο συχνά, επηρεάζοντας κρίσιμα συστήματα και μειώνοντας τη διάρκεια λειτουργίας τους. Τα σήματα GNSS (Galileo, GPS) υποβαθμίστηκαν περαιτέρω, οι αστροπαρατηρητές (star trackers) τυφλώθηκαν και οι φορτίσεις των μπαταριών προστέθηκαν στο χάος.
«Η τεράστια ροή ενέργειας που εκτινάσσεται από τον Ήλιο μπορεί να προκαλέσει ζημιές σε όλους τους δορυφόρους μας», προειδοποιεί ο Jorge. «Οι δορυφόροι χαμηλής τροχιάς συνήθως προστατεύονται καλύτερα από την ατμόσφαιρα και το μαγνητικό πεδίο της Γης, αλλά μια έκρηξη του μεγέθους του συμβάντος Carrington δεν θα άφηνε κανένα διαστημόπλοιο ασφαλές».
Εκπαίδευση για το «Μεγάλο Γεγονός»
Άσκηση προσομοίωσης διαστημικού καιρού στο ESOC
«Η άσκηση αυτή υπήρξε μια ευκαιρία να διευρύνουμε την εκπαιδευτική καμπάνια προσομοιώσεων και να εμπλέξουμε πολλούς άλλους φορείς του ESOC, καλύπτοντας όλα τα είδη αποστολών και επιχειρησιακών μονάδων. Η διεξαγωγή της σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον μας έδωσε πολύτιμες γνώσεις για το πώς μπορούμε να σχεδιάσουμε, να προσεγγίσουμε και να αντιδράσουμε καλύτερα όταν συμβεί ένα τέτοιο γεγονός. Το βασικό συμπέρασμα είναι πως δεν πρόκειται για το “αν” θα συμβεί, αλλά για το “πότε”», λέει ο Gustavo Baldo Carvalho, επικεφαλής αξιωματικός προσομοίωσης του Sentinel-1D.
Το Κέντρο Ασφάλειας Διαστήματος της ESA διαδραμάτισε κεντρικό ρόλο στην άσκηση και αποτελεί θεμελιώδες εργαλείο για την ευρωπαϊκή ετοιμότητα απέναντι σε ακραίες ηλιακές καταιγίδες. Η προσομοίωση αναμένεται να προσφέρει κρίσιμες πληροφορίες για τη διαμόρφωση ενός πανευρωπαϊκού συστήματος επιχειρησιακών υπηρεσιών διαστημικού καιρού, συμβάλλοντας στη βελτίωση των διαδικασιών και της ανθεκτικότητας.
Τι είναι ο «διαστημικός καιρός»;
«Η προσομοίωση του αντίκτυπου ενός τέτοιου γεγονότος μοιάζει με την πρόβλεψη των επιπτώσεων μιας πανδημίας: θα αντιληφθούμε τις πραγματικές του συνέπειες στην κοινωνία μόνο αφού συμβεί. Παρ’ όλα αυτά, οφείλουμε να είμαστε έτοιμοι και να έχουμε σχέδια αντίδρασης ανά πάσα στιγμή. Αυτή η άσκηση ήταν η πρώτη ευκαιρία να αντιμετωπιστεί ένα τέτοιο μεγάλο γεγονός και να ενσωματωθεί η αντίδραση του Γραφείου Διαστημικού Καιρού της ESA στο υφιστάμενο πλαίσιο επιχειρήσεων του Οργανισμού», εξηγεί ο Jorge Amaya, συντονιστής μοντελοποίησης διαστημικού καιρού.
«Η κλίμακα και η ποικιλία των επιπτώσεων μάς πίεσαν —και εμάς και τα συστήματά μας— στα όριά μας. Όμως η ομάδα ανταποκρίθηκε με επιτυχία, και αυτό μας έδειξε ότι, αν μπορέσουμε να διαχειριστούμε κάτι τέτοιο, μπορούμε να αντεπεξέλθουμε σε οποιαδήποτε πραγματική κρίση», καταλήγει ο Thomas Ormston, αναπληρωτής υπεύθυνος επιχειρήσεων διαστημοπλοίων της ESA.
Υποδομές για το μέλλον
Ο «ανταποκριτής» του διαστημικού καιρού Vigil στο βαθύ διάστημα
Πέρα από την επιχειρησιακή ετοιμότητα, τέτοιες προσομοιώσεις υπογραμμίζουν την επιτακτική ανάγκη ενίσχυσης της ευρωπαϊκής ικανότητας πρόγνωσης του διαστημικού καιρού.
Στο πλαίσιο του προγράμματος Διαστημικής Ασφάλειας (Space Safety), η ESA αναπτύσσει το Distributed Space Weather Sensor System (D3S) — ένα δίκτυο δορυφόρων και ενσωματωμένων φορτίων που θα παρακολουθούν διάφορες παραμέτρους του διαστημικού καιρού γύρω από τη Γη, προσφέροντας πρωτοφανή ροή δεδομένων για την προστασία των πολιτών και των κρίσιμων υποδομών της Ευρώπης.
Πιο μακριά από τη Γη, η αποστολή Vigil της ESA θα εγκαινιάσει μια επαναστατική προσέγγιση παρατήρησης, παρακολουθώντας τη «πλευρά» του Ήλιου από το σημείο Lagrange 5, παρέχοντας συνεχή εικόνα της ηλιακής δραστηριότητας.
Προγραμματισμένη για εκτόξευση το 2031, η Vigil θα είναι σε θέση να εντοπίζει επικίνδυνα ηλιακά φαινόμενα πριν αυτά εμφανιστούν από τη Γη, προσφέροντας πολύτιμο χρόνο για να προστατευθούν τα διαστημικά σκάφη και οι επίγειες υποδομές.
