Rakieta Artemis II zrobiła dziurę w jonosferze. GPS odczuł skutki startu

Rakieta NASA miała zabrać astronautów w okolice Księżyca, ale przy okazji zrobiła coś zaskakującego znacznie bliżej Ziemi. Jej przelot i późniejsze manewry silnikowe wywołały ogromne zaburzenia w jonosferze, rozciągające się na tysiące kilometrów. Naukowcy odkryli je dzięki precyzyjnym pomiarom GPS. Co ciekawe, największych zaburzeń nie wywołał sam potężny start rakiety, lecz znacznie słabszy silnik uruchomiony wysoko nad Ziemią.

1 kwietnia 2026 r. z Centrum Kosmicznego Kennedy'ego na Florydzie wystartowała rakieta Space Launch System. Na jej szczycie znajdował się statek Orion z 4 astronautami, którzy mieli jako pierwsi od ponad pół wieku polecieć w okolice Księżyca. Historyczny start Artemis II relacjonowaliśmy na Spider's Web, ale dopiero teraz poznajemy jeden z jego mniej oczywistych skutków.

Okazuje się, że rakieta i późniejsze manewry statku pozostawiły po sobie rozległe zaburzenia ziemskiej jonosfery. To część górnej atmosfery zawierająca duże ilości naładowanych elektrycznie cząstek, przede wszystkim swobodnych elektronów i jonów. Ich obecność ma ogromne znaczenie dla rozchodzenia się fal radiowych.

Zespół naukowców z National Cheng Kung University na Tajwanie przeanalizował pomiary wykonane podczas misji. W badaniu opisano trzy oddzielne epizody zaburzeń jonosfery. Wszystkie wystąpiły nad Ameryką Północną, ale różniły się intensywnością i zasięgiem.

Największe zmiany rozciągały się na obszar odpowiadający około 50 stopniom długości geograficznej. Zasięg obserwowanych struktur sięgał kilku tysięcy kilometrów, a w doniesieniach o badaniu pojawia się wartość około 5000 km. To skala porównywalna z rozciągłością kontynentalnych Stanów Zjednoczonych.

Określenie dziura w jonosferze brzmi dramatycznie, ale nie oznacza, że rakieta dosłownie przedziurawiła ziemską atmosferę. Nie powstał żaden tunel prowadzący w próżnię, a powietrze nie uciekło przez wyrwę w naszej planecie.

Chodzi o miejscowe zmniejszenie liczby swobodnych elektronów w jonosferze. Gazy wyrzucane przez silniki rakietowe mogą wchodzić w reakcje chemiczne z jej składnikami i przyspieszać procesy prowadzące do zaniku elektronów. Jednocześnie przemieszczająca się rakieta i energia uwalniana przez jej napęd wywołują fale akustyczne oraz inne zaburzenia rozchodzące się w atmosferze. W rezultacie powstają obszary, w których właściwości elektryczne jonosfery różnią się od otoczenia. Zmiany są przejściowe, ale mogą obejmować ogromne powierzchnie.

Nie jest to zupełnie nowe zjawisko. W 2024 r. opisywaliśmy podobną dziurę w jonosferze po eksplozji rakiety Starship. Tamten przypadek był jednak związany z gwałtownym zniszczeniem pojazdu na dużej wysokości. Artemis II pokazała, że bardzo rozległe zaburzenia mogą również towarzyszyć prawidłowo przebiegającej misji kosmicznej.

Najciekawsze odkrycie dotyczy momentu, w którym wystąpiły najsilniejsze zaburzenia. Można byłoby przypuszczać, że odpowiadał za nie start ogromnej rakiety SLS, której silniki rozwijają potężny ciąg. Tymczasem późniejsze manewry okazały się jeszcze istotniejsze.

Pierwsze zaburzenia odnotowano bezpośrednio po starcie. Kolejne pojawiły się około 2 godzin później, podczas manewru podnoszącego apogeum orbity, wykonywanego przez górny stopień rakiety. Trzeci epizod zarejestrowano około 25 godzin po starcie, po uruchomieniu napędu statku Orion podczas manewru kierującego go ku Księżycowi.

Szczególnie wyraźny efekt przyniósł drugi epizod. Silnik pracował wtedy w rejonie jonosfery na wysokości około 185 km. Wyrzucane gazy i uwalniana energia oddziaływały więc bezpośrednio na obszar zawierający naładowane cząstki. Co ciekawe, według przedstawionych porównań początkowy ciąg rakiety był wielokrotnie większy od ciągu silników wykorzystywanych podczas późniejszych manewrów. Mimo to właśnie te słabsze odpalenia spowodowały wyjątkowo rozległe zmiany.

Naukowcy wykorzystali sieć precyzyjnych naziemnych odbiorników GPS, które na co dzień służą m.in. do monitorowania bardzo powolnych ruchów skorupy ziemskiej. Dzięki analizie sygnałów docierających z satelitów można określić również zmiany zachodzące w jonosferze.

Działa to dlatego, że sygnał GPS musi pokonać drogę z orbity na powierzchnię Ziemi, przechodząc przez obszary zawierające naładowane cząstki. Zmiany koncentracji elektronów wpływają na propagację fal radiowych, a tym samym na czas dotarcia sygnału do odbiornika.

Przeczytaj także:

Dla systemu, który określa położenie na podstawie niezwykle dokładnego pomiaru czasu, jest to ważna kwestia. Nawet niewielkie dodatkowe opóźnienie może przekładać się na błąd wyznaczania odległości. Tajwańscy badacze wykorzystali te właściwości do odtworzenia zaburzeń po misji Artemis II. Zmiany zarejestrowane przez aparaturę odpowiadały potencjalnym błędom pozycjonowania sięgającym kilku metrów.

Trzeba jednak zaznaczyć, że nie stwierdzono powszechnej awarii GPS ani nie udowodniono, że zwykli użytkownicy nawigacji odczuli problemy. Badanie dotyczyło przede wszystkim zmian w jonosferze, a rzeczywiste skutki dla dokładności poszczególnych systemów nawigacyjnych wymagają osobnej analizy.