O przebiegu lotów kosmicznych decyduje multum różnych czynników. Każdy z nich jest potencjalnie zabójczy dla pasażerów takiej podróży, lecz nad większością z nich człowiek zapanował – jednak nie nad pogodą. Do pogody to człowiek musi się dopasować, a nie na odwrót. W wyniku tego warunki atmosferyczne odgrywają kluczową rolę w planowaniu i przeprowadzaniu misji kosmicznych, gdyż wpływają nie tylko na start – ale na całokształt przebiegu misji.

NASA via Wikimedia Commons

Przykład śmiercionośnego działania warunków pogodowych – wybuch promu Challenger w 1986 roku, spowodowany niskimi temperaturami.

Pogoda ma różny wpływ na misję, w zależności od jej etapu. Warunki atmosferyczne mogą stanowić zagrożenie zarówno podczas startu, jak i wejścia w atmosferę, a nawet w trakcie samego pobytu na orbicie. Należy więc rozważać każdy odcinek osobno – od momentu przygotowań na wyrzutni, przez wznoszenie się rakiety i jej lot w przestrzeni kosmicznej, aż po powrót statku kosmicznego na Ziemię. Silne wiatry mogą uniemożliwić start, burze słoneczne wpłynąć na elektronikę w przestrzeni kosmicznej, a niekorzystne warunki w strefie lądowania wymusić opóźnienie powrotu załogi. Każdy z tych etapów wymaga precyzyjnych prognoz i ścisłego monitorowania sytuacji meteorologicznej. Zacznijmy więc od początku – startu rakiety.

Jak pogoda wpływa na start rakiety?

Rozpoczęcie podróży każdego pojazdu działającego dzięki zjawisku odrzutu jest niebezpieczne, ponieważ generowanie ciągu wiąże się z ogromnymi siłami i wysokimi temperaturami, a sam lot z niezwykłymi obciążeniami aerodynamicznymi. Przede wszystkim wymaga więc niezwykłej precyzji – wystarczy jedna luźna śruba, by doszło do wybuchu. Z tego powodu to właśnie pogoda potrafi być zmorą inżynierów, gdyż zjawiska takie jak temperatura bądź wiatr często mają potencjał rozszczelnić nawet hermetycznie zamknięte elementy rakiety. W wyniku tego w przemyśle kosmicznym od pewnego czasu stosuje się wyjątkowo restrykcyjne zasady, odnośnie tego kiedy może dojść do startu. Jednak to właśnie dzięki nim katastrofy wynikające z warunków atmosferycznych w zasadzie należą do przeszłości.

Temperatura

Jednym z najistotniejszych i zarazem najprostszych czynników atmosferycznych jest temperatura, gdyż nawet małe jej wahania mogą drastycznie zmienić przebieg lotu. Może być to nieco nieintuicyjne, albowiem wszystkie rakiety i statki kosmiczne są zaprojektowane z myślą o wytrzymaniu i ekstremalnie niskich temperatur w próżni, i piekielnie wysokich temperatur jonosfery. Dlaczego więc tak małe wahania temperatur mogą doprowadzić do katastrofy? Odpowiedź na to pytanie jest prosta: czas.

W przeciwieństwie do ekstremalnych warunków, które występują tylko przez krótki czas, małe zmiany temperatury mogą działać na elementy rakiety przez długi okres, powodując niekorzystne skutki w postaci naprężeń, deformacji, a nawet awarii całych systemów. Zachodzi tutaj zjawisko rozszerzalności cieplnej objętościowej, które może mieć dwa różne skutki. W przypadku zimnych temperatur poszczególne elementy rakiety mogą się kurczyć, czego wynikiem są rozszczelnienia. Natomiast jeżeli chodzi o wysokie temperatury, części składowe rakiety mogą się rozszerzać i napierać na siebie. Rezultatem tego są owe naprężenia, które z kolei prowadzą do deformacji.

Ascaron via Wikimedia Commons

Inconel – jeden z materiałów stosowanych w celu niwelowania działania rozszerzalności cieplnej. Jest to stop na bazie niklu i chromu o wyjątkowo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej.

Najlepszym przykładem i zarazem przestrogą niebezpiecznego działania pogody jest katastrofa promu Challenger 28 stycznia 1986 roku. Zaledwie 73 sekundy po starcie, misja STS-51L gwałtownie dobiegła końca, gdy doszło do nagłego rozerwania wahadłowca pod wpływem nieprzewidzianej siły oporu aerodynamicznego. Wszyscy członkowie załogi zginęli w wyniku wybuchu.

Główną przyczyną tragedii było uszkodzenie uszczelek w segmentach rakiety pomocniczej (SRB) spowodowane niską temperaturą. Uszczelki te, wykonane z gumopodobnego materiału, stały się kruche i nie były w stanie utrzymać szczelności, co doprowadziło do wycieku gorących gazów i zniszczenia SRB. To z kolei wywołało ową nieprzewidzianą siłę.

Skutki katastrofy były ogromne i miały dalekosiężne konsekwencje zarówno dla programu Space Shuttle, jak i dla całego przemysłu kosmicznego. Tragiczna śmierć siedmiorga astronautów wstrząsnęła światem i wywołała międzynarodową falę żalu i współczucia. W wyniku tej tragedii wstrzymano program lotów wahadłowców, a NASA zmuszona była do przeprowadzenia szczegółowego dochodzenia oraz rewizji procedur bezpieczeństwa. Ostatecznie katastrofa Challenger zmieniła podejście do zarządzania ryzykiem w lotach kosmicznych, a także podkreśliła znaczenie szczegółowych testów i analiz przed każdą misją. To również przyczyniło się do zwiększenia kontroli nad decyzjami podejmowanymi w trudnych warunkach atmosferycznych, co miało kluczowy wpływ na przyszłość lotów kosmicznych.

NASA via Wikimedia Commons

Katastrofa promu Challenger. 28 stycznia 1986.

Efekt rozszerzalności cieplnej nie jest jednak jedynym następstwem działania temperatury. Zgodnie z przekształconym równaniem stanu gazu doskonałego (p=ρRT), gęstość powietrza jest w dużej mierze zależna od jego temperatury. Z gęstością powietrza są natomiast związane wielkości fizyczne, takie jak siła nośna i opór aerodynamiczny. W przypadku startów rakiet ważna jest przede wszystkim ta druga wielkość, opisana poniższym wzorem.

Wzór na siłę oporu aerodynamicznego (F), gdzie: C – współczynnik siły nośnej, ρ – gęstość powietrza, A – powierzchnia przekroju poprzecznego, v – prędkość względem powietrza.

Im gęstość powietrza mniejsza, tym mniejszy również opór powietrza, a to ciągnie za sobą kilka różnych skutków. Może to działać na niekorzyść lotu, wymuszając szybkie i drobne korekcje trajektorii, lecz również na korzyść, pozwalając osiągnąć większa efektywność paliwa. Wobec tego wpływ temperatury na start ma dwojaką naturę: może zarówno zwiększyć możliwości misji jak i doprowadzić do jej szybkiego końca. Każdorazowo wymagane są jednak korekcje trajektorii lotu i stosowanie się do zasad bezpieczeństwa.

Zachmurzenie, opady i wyładowania atmosferyczne

W przeciwieństwie do temperatury, elementy pogody takie jak zachmurzenie, opady i wyładowania atmosferyczne mogą mieć jedynie negatywne skutki wobec startu. Co więcej, są one ściśle powiązane – pojawienie się jednego z tych zjawisk często oznacza, że pozostałe również mogą niedługo wystąpić lub już wystąpiły. W wyniku tego często wystarczy tylko jeden z owych warunków pogodowych, by zarządzono opóźnienie startu.

Aby zrozumieć, dlaczego te elementy pogody są skorelowane, należy poznać mechanizm ich powstawania. Wszystko zaczyna się od pewnego źródła wody – może być to jezioro, morze, czy też lodowiec. Skupisko to w wyniku wysokiej temperatury powietrza zaczyna parować bądź sublimować. Powstała w wyniku tego para zaczyna się unosić do wyższych części atmosfery, gdzie gromadzi się, co zwiększa wilgotność względną (wyrażony w procentach stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w powietrzu do prężności pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią czystej wody w tej samej temperaturze). Gdy wartość ta osiągnie 100%, oznacza to, że temperatura jest równa punktowi rosy, w wyniku czego dochodzi do skroplenia pary wodnej.

Po rozpoczęciu proces skraplania następuje kondensacja, czyli proces, w którym para wodna skrapla się na mikroskopijnych cząstkach pyłu, soli lub sadzy (jądrach kondensacji), tworząc maleńkie krople wody albo kryształki lodu. Gdy wiele takich kropel lub kryształków zbierze się razem, stają się widoczne jako chmura, czyli tak naprawdę aerozol.

JPL

Mechanizm powstawania chmur.

Światowa Organizacja Meteorologiczna wyróżnia dziesięć głównych rodzajów chmur. Każda z nich ma inny wpływ na lot kosmiczny. W kontekście startu mają głównie znaczenie strategiczne, gdyż nawet jeżeli nie są groźne same w sobie, to zwiastują nadejście niebezpiecznych warunków pogodowych i są sygnałem do przełożenia początku lotu.

Najgroźniejsze są cumulonimbusy. Są one chmurami burzowymi, które stanowią poważne ryzyko dla startujących rakiet. Powstają gdy ciepłe, wilgotne powietrze unosi się do góry i kondensuje, tworząc potężne pionowe struktury. Ich obecność w pobliżu miejsca startu stanowi duże zagrożenie, ponieważ mogą generować: silne prądy wstępujące i zstępujące, które destabilizują trajektorię rakiety, szczególnie w pierwszej fazie lotu; turbulencje i uskoki wiatru, mogące powodować niekontrolowane drgania struktury rakiety; oraz wyładowania atmosferyczne – start przez chmurę burzową zwiększa ryzyko porażenia piorunem. Przykładem jest misja Apollo 12, gdzie rakieta Saturn V została trafiona piorunem zaraz po starcie, co doprowadziło do tymczasowego wyłączenia systemu nawigacji.

PAP/ Maria Samczuk

Infografika zawierająca podstawowe wiadomości o chmurach.

Nie można również bagatelizować innych rodzajów chmur, w szczególności stratusów, altostratusów i nimbostratusów. Są one podobne w naturze do cumulonimbusów, lecz przynoszą łagodniejsze skutki, w postaci deszczów, mżawek i opadów śniegu, które również dyskwalifikują potencjalny termin do startu rakiety. Nawet pozornie małe, niegroźne „chmurki”, takie jak cirrusy, mogą sygnalizować duże zmiany w nadchodzącym froncie atmosferycznym. Mając powyższe informacje na uwadze, w obecnych czasach sytuacja pogodowa w trakcie startu jest skrupulatnie monitorowana.

Wpływ pogody w trakcie misji

Wraz z wejściem w kolejną fazę lotu jest również kolejna porcja zagrożeń pogodowych. Sytuacja z zarządzaniem nimi jest jednak drastycznie inna. Problem tkwi w fakcie, że po rozpoczęciu lotu, nie da się go już bezpiecznie wstrzymać. Wobec tego pogoda w tej części misji jest często nazywana cichym zabójcą rakiet, gdyż może przejawić się dopiero po starcie, bądź całkowicie pozostać niewykryta.

Wiatr i turbulencje

Największym wrogiem Mission Control w trakcie misji jest wiatr, a konkretnie jego uskoki. Są to nagłe zmiany prędkości lub kierunku wiatru na stosunkowo krótkim dystansie w atmosferze. Mogą występować zarówno w poziomie, jak i w pionie oraz każdorazowo powodować niekontrolowane siły aerodynamiczne działające na pojazd.

Uskoki wiatru powstają w wyniku szeregu różnych czynników atmosferycznych. Głównym jest zjawisko inwersji temperatury – w górnych warstwach atmosfery cieplejsze powietrze może bowiem zatrzymać ruch chłodniejszego powietrza poniżej, tworząc nagłe zmiany prędkości wiatru. Podobnie jest z burzami i dynamicznymi systemami frontowymi – prądy zstępujące z chmur burzowych mogą generować silne, nagłe zmiany wiatru. Jednak nawet sama rzeźba terenu może być wystarczająca – wiatry wiejące nad górami, dolinami lub oceanami również mogą ulegać przyspieszeniu i drastycznym zmianom kierunku.

Greg Lundeen/National Weather Service via Wikimedia Commons

Kowadło chmurowe powstałe w wyniku silnych uskoków wiatru w troposferze.

Warto tutaj również wspomnieć o turbulencjach, zjawisku ściśle związanym z ruchami powietrza. Podobnie jak niektóre uskoki wiatru, są to raczej mikroskalowe zjawiska atmosferyczne – jednak pozostają zdecydowanie niezaniedbywalne.

Nazwa procesu idealnie oddaje rzeczywistość. Przepływ turbulentny jest to bowiem nieuporządkowany, nielaminarny ruch płynu, spowodowany przez równie chaotyczne zmiany prędkości cząstek. Proces jest bardzo skomplikowany. Dotychczas brakuje wręcz zadowalającej analizy matematyczno-fizycznej turbulencji, a opisujące je równania Naviera-Stokesa stanowią jeden z sześciu nierozwiązanych problemów milenijnych.

W kontekście podróży w coraz to wyższe partie atmosfery, wiatr, jego uskoki i wynikające turbulencje stanowią istotne zagrożenie. Skutkują drganiami strukturalnymi o niebłahym znaczeniu fizycznym oraz psychicznym dla astronautów i mają potencjał, by zakłócić trajektorię lotu, tym samym znacząco obciążając systemy sterowania. Tutaj jednak ich rola się nie kończy. Powrócimy do nich à propos re-entry, gdy znów znajdziemy się w atmosferze.

Pogoda kosmiczna

Tymczasem: pogoda w przestrzeni kosmicznej, a właściwie jej jedyny, aczkolwiek zawiły aspekt – aktywność słoneczna. Promieniowanie, wiatr słoneczny, burze geomagnetyczne wywołane koronalnymi wyrzutami masy – wszystkie z nich to groźne efekty uboczne funkcjonowania naszej gwiazdy macierzystej. Dlatego też NASA i inne agencje monitorują Słońce. Mimo tego skutki pogody kosmicznej są katastrofalne. Przykładowo – w 2003 roku w 47 z 70 przypadków awarii satelitów, za przyczynę uznaje się właśnie następstwa silnej burzy magnetycznej.

National Weather Service via Wikimedia Commons

Ostrzeżenie o nadciągającej burzy magnetycznej, czynnik dyskwalifikujacy dla startu misji kosmicznej.

Długo można by wymieniać implikacje pogody kosmicznej. Najbardziej znamienitą są najprawdopodobniej komplikacje związane z elektroniką. Do najczęstszych należą zmiany stanu pojedynczego bitu pamięci za sprawą trafienia węzła poprzez cząstkę (ang. single-event upset), a także zwarcia wynikające z nagromadzenia ładunku elektrycznego na satelicie.

Drugie miejsce zajmują natomiast problemy zdrowotne, powodowane przez promieniowanie. Na niskiej orbicie okołoziemskiej poziomy tego promieniowanie są jednak na tyle niskie, że nie zagrażają ludzkiemu życiu, tzn. są w akceptowalnych normach. Co więcej, istnieją środki zaradcze, tj. osłony, które obowiązkowo znajdują się na większości nowych statków kosmicznych. Na ISS znajdują się nawet takie, które chronią przed niebotycznymi poziomami podczas poważnych okresów aktywności Słońca. Więcej informacji w tym temacie znajdą Państwo tutaj, jak również tu.

Do nieco mniej znanych efektów aktywności słonecznej należą natomiast zmiany orbity. Jak wykazały badania, burze magnetyczne są w stanie w kilka dni wywołać perturbacje, które zwykle wymagałyby lat. Wszystko w wyniku fluktuacji temperatury termosfery, która następnie się rozszerza i zwiększa opór aerodynamiczny. Również ten wymiar misji kosmicznych jest więc pod kontrolą pogody.

NASA via Wikimedia Commons

Bardziej poztywyny aspekt pogody kosmicznej: piękne widoki. Zdjęcie wykonane z pokładu Space Shuttle Discovery w maju 1991 roku.

Warunki pogodowe a re-entry i lądowanie

Według angielskiego powiedzenia „What comes up must come down” (dosł.: co wzniesie się do góry, musi spaść na dół; znacz.: co się odwlecze, to nie uciecze) również statek kosmiczny musi powrócić na Ziemię, tym samym sprowadzając na siebie kolejne liczne zagrożenia. Takim był m.in. Sojuz 23 – który niesamowicie doświadczył prawie wszystkich możliwych podczas niefortunnej misji w 1976 roku. Wobec tego najlepiej omówić to zagadnienie na podstawie właśnie tego lotu.

Załoga misji, radzieccy kosmonauci Wiaczesław Zudow i Walerij Rożdiestwienski, tradycyjnie opuściła kosmodrom Bajkonur na pokładzie rakiety Sojuz-U wieczorem 14 października 1976 roku, kierując się na stację Ałmaz (Salut 5). Statek dotarł do stacji następnego dnia. Napotkał jednak awarię automatycznego systemu dokowania. Nie było to nic nadzwyczajnego, miało miejsce również w przypadku Sojuza 15. Załoga musiała powrócić na Ziemię, mimo niesprzyjających warunków pogodowych, ponieważ pozostały dwa dni naładowania baterii.

Dnia 16 października o godz. 20:02 włączyły się nad Atlantykiem silniki hamujące i statek zszedł z orbity. O 20:17:02 lądownik z kosmonautami oddzielił się od statku. Pozostała część statku – przedziały: orbitalny i agregatowy spłonęły w gęstych warstwach atmosfery. Siedem kilometrów nad Ziemią otworzył się spadochron hamujący. Kapsuła miała spaść na stepach Kazachstanu, ale gęste chmury i silne wiatry sprawiły, że trajektoria uległa zmianie. Wylądowała na powierzchni zamarzniętego jeziora Tengyz (co po kazachsku oznacza ocean) w burzy śnieżnej. Sztab grupy poszukiwawczej znajdował się w Arkałyku, 140 km dalej.

Wysoka temperatura i uderzenie lądownika doprowadziło do roztopienia pokrywy lodowej jeziora. Lądownik Sojuza był jednak przystosowany do unoszenia się na wodzie. Nie wystarczyło. Spadochrony kapsuły szybko wypełniły się wodą, wciągając pojazd wraz z załogą pod powierzchnię. Woda zaczęła ponownie krzepnąć.

Gęsta mgła i intensywna śnieżyca uniemożliwiły szybkie odnalezienie kapsuły przez ekipy ratunkowe. Warunki były złe – mróz około 20 stopni, mgła i śnieg. Czas był ograniczony. Poziomy baterii statku spadły do kilku godzin, systemy podtrzymywania życia w module lądownika zaczęły zawodzić. Kosmonauci mieli jednak radio.

Udało się skomunikować z grupą poszukiwawczą. Należący do nich samolot odnalazł na jeziorze światła kapsuły. Próby dotarcia do statku przy pomocy amfibii zawiodły. Ostatecznie nurkowie zdołali zaczepić do kapsuły linę, która posłużyła do wyciągnięcia jej przez śmigłowiec. Ratownicy byli zaskoczeni, że załoga zdołała przeżyć – doświadczyli godzin wychłodzenia.

Autor nieznany

Uratowanie kapsuły przez grupę poszukiwawczą.

Ekstremalne warunki atmosferyczne spowodowały, że operacja ratunkowa trwała ponad 9 godzin. Ostatecznie załoga została uratowana, ale misja Sojuz 23 pozostaje jednym z najdramatyczniejszych przykładów wpływu pogody na lądowanie pojazdu kosmicznego. Gdyby nie trudności atmosferyczne, akcja ratunkowa mogłaby przebiec znacznie szybciej i bez tak dużego ryzyka.

Podsumowanie

Jak widać, pogoda wpływa na wszystkie etapy misji kosmicznej – od startu, przez lot, aż po lądowanie. Przewidywanie warunków atmosferycznych i ich uwzględnianie w planowaniu misji jest kluczowe dla bezpieczeństwa i sukcesu eksploracji kosmosu. Na szczęście (lub niestety!) na razie doskwiera nam jedynie ziemska pogoda. Jednak marsjańkie burze piaskowe, wenusjańskie temperatury i inne zjawiska tylko czekają by zostać zbadane. Przyszłość stoi otworem.