Голубая спираль в небе: что остаётся после полёта ракеты

18 января 2023 года камера у телескопа Subaru на Гавайях записала спираль на фоне звёзд. Голубоватые витки расширялись и постепенно становились слабее. Камера Subaru-Asahi работала в обычном режиме круглосуточной трансляции, поэтому у записи сохранились место и время.

Ранее в тот день Falcon 9 стартовала с мыса Канаверал и вывела спутник GPS III. Верхняя ступень продолжила путь далеко от Флориды. Сотрудники Subaru связали гавайскую запись с этим полётом. Камера снимала вещество, выброшенное на большой высоте, а солнечные лучи делали его заметным на ночном фоне.

Витки могут возникнуть при вращении ступени. Пока корпус поворачивается, выходящая из него струя каждый раз направлена немного иначе. Ранние порции успевают уйти дальше, поздние остаются ближе. Общий рисунок постепенно расширяется, хотя сама ступень продолжает двигаться по своей траектории.

Запуск во Флориде, наблюдение на Гавайях

Камера Subaru-Asahi стоит примерно на высоте 4200 метров, рядом с японским телескопом на Маунакеа. Она чувствительна к слабому свету и снимает звёзды, метеоры и другие события. В сообщении Subaru от 1 февраля 2023 года сотрудники описали январскую спираль и напомнили о похожей записи 17 апреля 2022 года.

Космические силы США сообщили об успешном запуске GPS III. Навигационный аппарат отделился от верхней ступени примерно через 89 минут после старта. К этому моменту движение ракеты давно вывело её за пределы района космодрома.

В сообщении обсерватории установлена связь январского события с запуском. Точная операция ступени на этой странице не названа. По записи облака нельзя увидеть, какой клапан был открыт или выполнялось ли в эту секунду включение двигателя.

Как вращение создаёт витки

Направление выброса связано с положением отверстия в корпусе. Поворачивается корпус — меняется и направление, в котором вылетает следующая порция. Уже выпущенное вещество продолжает расходиться. Если источник за это время совершил полный поворот, ранняя и поздняя порции снова уходят примерно в одну сторону, но находятся на разном расстоянии от него.

При продолжающемся вращении таких оборотов становится несколько. Солнечный свет позволяет видеть вещество одновременно на разных расстояниях. Отсюда витки: внутренняя часть рисунка выпущена позже внешней. Корпус движется по траектории отдельно от расширяющегося облака, поэтому линия спирали не показывает его путь.

В плотном воздухе у земли струя быстро тормозится и перемешивается с окружающей средой. На большой высоте вещество свободнее расширяется. Облако способно занять огромное пространство, хотя породившая его ступень по-прежнему мала и с земли неразличима.

После прекращения выброса частицы продолжают расходиться. Облако ещё увеличивается и отражает свет, а маленький металлический корпус в таком кадре может совсем не различаться. По величине спирали на небе нельзя получить размеры ступени.

Ракурс тоже меняет рисунок. При взгляде почти вдоль оси вращения витки выглядят ближе к кругам. Сбоку они вытягиваются и частично накладываются. На разных фотографиях одного события поэтому могут получиться спираль, несколько дуг или светлый вытянутый веер.

Форма меняется и со временем. Вещество удаляется от источника, плотность облака падает. Витки размываются и постепенно теряются на фоне неба. Ускоренное видео делает этот процесс гораздо стремительнее, чем он был для человека на месте.

Спираль среди полярного сияния

15 апреля 2023 года похожее облако появилось над Аляской. Его записала камера исследовательского полигона Покер-Флэт. На видео голубая спираль видна рядом с зелёными полосами полярного сияния.

Главный научный сотрудник полигона Дон Хэмптон объяснил событие в сообщении Университета Аляски. Примерно за два часа до наблюдения стартовала Falcon 9, выводившая груз на полярную орбиту. Путь ракеты проходил над этим районом.

Хэмптон рассматривал два варианта: тормозное включение верхней ступени либо сброс оставшихся веществ после него. В обоих случаях вращение могло придать облаку спиральную форму. Сотрудник полигона также описал, как водяной пар на большой высоте замерзает, а частицы льда отражают солнечный свет.

На записи сохранялись сразу два явления. Зелёные полосы полярного сияния менялись в атмосфере под действием заряженных частиц. Рядом расширялось голубоватое облако ракеты, освещённое Солнцем. Общий кадр показывал соседство этих процессов.

У этой записи, как и у гавайской, известны место и время съёмки. Поэтому можно сопоставить событие с полётом, который начался раньше и далеко от наблюдателя. Одного совпадения по дате запуска было бы недостаточно: подходит ли направление, зависит от траектории.

Откуда свет, если внизу уже ночь

При заходе Солнце скрывается за горизонтом человека. Но облако на большой высоте может находиться над освещённым краем Земли. Лучи проходят к нему, а до наблюдателя прямой солнечный свет уже не доходит. Он видит светлое облако на темнеющем небе.

Похожее можно видеть после обычного заката: верхние части облаков сохраняют свет, когда земля и нижние слои уже потемнели. Ракетное вещество находится значительно выше, и солнечная подсветка может действовать там дольше.

На фотографии следа шаттла STS-98, стартовавшего 7 февраля 2001 года, хорошо различаются освещённая верхняя часть и тёмный низ. Спирали на снимке нет. Он показывает сам принцип: разные части высокого выброса одновременно оказываются в солнечном свете и в тени.

Разреженные частицы рассеивают свет в сторону наблюдателя. На тёмном фоне достаточно большого облака можно заметить даже слабое отражение. Его цвет зависит от состава, условий освещения и обработки камеры. Голубоватый оттенок видео сам по себе не даёт полного химического состава выброса.

Когда облако входит в тень Земли, подсветка прекращается. Оно может также стать слишком разреженным, чтобы оставаться видимым. Тогда рисунок исчезает, хотя вещество никуда мгновенно не переместилось. Камера просто больше не получает от него достаточно света.

Что происходит со ступенью после отделения груза

После отделения спутник начинает самостоятельный полёт, а верхняя ступень выполняет оставшиеся операции своей программы. Она может изменить орбиту или включить двигатель для торможения. При освобождении баков остатки выходят наружу и расширяются. Порядок действий зависит от задания и конструкции.

Для гавайской спирали документирован успешный выход GPS III на назначенную орбиту. Subaru связало облако с тем же запуском, но не указало точную операцию ступени. В аляскинском случае Хэмптон оставил два возможных этапа — торможение и последующий сброс. Обе записи показывают вещество после его выхода из ракеты; команды двигателю и клапанам нужно восстанавливать по отдельным сведениям о полёте.

Ракета оставляет и другие формы облаков. Веер, широкий колпак или вытянутый след зависят от направления струи, плотности окружающей среды и ракурса. У полупрозрачной объёмной оболочки край иногда выглядит ярче середины, поскольку там взгляд проходит через больший слой вещества. Поэтому светлое кольцо не обязательно имеет твёрдый обод.

Есть и более поздние последствия выбросов. В исследовании миссии NASA AIM утренние запуски связали с появлением серебристых облаков в некоторых средних широтах. Водяной пар переносится ветрами и может участвовать в образовании льда примерно на высоте 80 километров. Это иной процесс и иной масштаб времени, чем спираль возле ступени. Серебристые облака образуются также без ракет.

Как найти полёт на своей записи

Для поиска полезно сохранить начало и конец наблюдения. В первых кадрах иногда видны яркая точка и момент расширения. Поздние кадры показывают, как тускнеет облако. Короткий фрагмент уже готовой спирали теряет большую часть этих сведений.

Нужны место, дата и точное время с часовым поясом. Если видео снято ночью, запуск мог произойти днём или даже в предыдущую календарную дату по другому часовому поясу. Следует искать не только ближайший космодром: верхняя ступень за время полёта проходит далеко от старта.

Горизонт, стороны света и звёзды помогают восстановить положение облака. Затем можно сравнить его с маршрутом подходящего полёта. Сведения о грузе полезны для поиска запуска, но сами по себе не объясняют операцию ступени.

Гавайская и аляскинская спирали сохранились в записях научных камер. У них были время, место и возможность сравнения с траекторией ракеты. После расширения облако потеряло яркость, а записи остались. По ним видно, как небольшой вращающийся источник на большой высоте способен оставить рисунок, заметный далеко за пределами места запуска.