Знакомое представление о загрязнении может вызывать в памяти дымовые трубы, выхлопные газы автомобилей или сточные воды, вытекающие на пляж. Однако все больше ученых бьют тревогу по поводу новой формы загрязнения, накапливающейся в мезосфере — слое атмосферы, расположенном высоко над тем местом, где летают самолеты. Растущее число спутников, многие из которых в конечном итоге сгорают в атмосфере, выделяют облака металлов, сажи и реактивных химических веществ, которые могут повредить озоновый слой и изменить климат Земли.
Рост числа спутников и проблема вывода из эксплуатации
В настоящее время на орбите нашей планеты находится более 15 000 спутников, и почти все из них в конечном итоге выводятся из эксплуатации — то есть сгорают в атмосфере. На это влияют несколько факторов: миниатюрные конструкции спутников, резкое снижение стоимости запусков благодаря многоразовым ракетам и рост созвездий спутников, таких как Starlink. Starlink, управляемый SpaceX, состоит из примерно 8000 спутников, обеспечивающих широкополосный доступ к интернету и находящихся на низкой околоземной орбите на высоте около 550 километров над поверхностью. Также запланированы проекты Amazon Project Kuiper и инициатива Guowang Китая, которые могут добавить десятки тысяч дополнительных спутников в ближайшие годы.
Спутники обычно имеют срок службы всего около пяти лет из-за ограниченного запаса топлива и желания перейти на более современную технику. Чтобы предотвратить столкновения в космосе, операторы направляют спутники в атмосферу для сгорания — процесс, который высвобождает значительное количество материала. Хотя каждый день сгорает лишь несколько спутников, огромный объем запусков означает, что ежегодно испаряется около 900 тонн космического мусора — примерно 5% массы, естественным образом попадающей из метеороидов.
Почему загрязнение космического мусора вызывает опасения
Хотя это количество может показаться относительно небольшим, ученых все больше беспокоит состав искусственных материалов, которые остаются. Особую озабоченность вызывает наличие алюминия:
- Разрушение озонового слоя: Алюминий составляет до 40% типичного спутника. При сгорании он превращается в глинозем (оксид алюминия), который, как было показано, реагирует с озоновым слоем и истощает его, защищающим нас от вредного ультрафиолетового излучения. Предыдущие запуски ракет создавали временные озоновые дыры, и аналогичные эффекты могут быть широко распространены при увеличении количества выводимых из эксплуатации спутников.
- Сажа (черный углерод): Сгорание спутников также производит сажу, которая поглощает солнечный свет, вызывая нагревание в атмосфере. Хотя наземные источники производят гораздо больше сажи в целом, высота ее выброса имеет решающее значение. Частицы, выброшенные в мезосфере (50-80 километров), могут сохраняться в течение многих лет, постепенно фильтруясь в стратосферу, где находится озоновый слой.
- Увеличение скорости роста: Последние данные показывают, что загрязнение космического мусора растет более чем в три раза быстрее, чем предполагалось ранее.
Недавние исследования подчеркивают потенциальное воздействие
Ученые активно моделируют крупномасштабные эффекты этого загрязнения:
- Потепление атмосферы: Недавнее исследование смоделировало влияние более 60 000 спутников с коротким сроком службы, предсказывая повышение температуры мезосферы на 1,5°C и снижение скорости ветров высшего уровня в полярном вихре Южного полушария на 10%.
- Мощный эффект нагрева сажи: Исследование 2022 года оценивает, что сажа, высвобождаемая на большой высоте из обычных ракетных топлив, может быть в 500 раз сильнее нагревает, чем выбросы автомобилей или пассажирских самолетов.
Понимание процесса фрагментации
Чтобы лучше понять и смягчить проблему, ученые изучают, как спутники разрушаются при повторном входе в атмосферу:
- Эксперименты в плазменной аэродинамической трубе: Штефан Лёле и его команда в Университете Штутгарта (Германия) используют плазменную аэродинамическую трубу для моделирования условий повторного входа спутника. Воссоздавая огненный процесс и анализируя спектры получаемого света, они могут определить точную природу выделяемых частиц — являются ли они твердыми, жидкими или газообразными и каковы их форма и размер.
- Необходимость точных данных: Эти исследования имеют решающее значение для информирования климатических моделей и обеспечения того, чтобы прогнозы основывались на точной характеристике образующихся загрязнителей.
Возможные решения и направления развития
Исследуются различные пути решения проблемы загрязнения космического мусора:
- Оптимизированные траектории повторного входа: Манипулируя траекторией повторного входа спутника, ученые могут изменить аэродинамическое сопротивление, с которым он сталкивается, потенциально уменьшая количество и состав выделяемого материала.
- Двигательная установка, использующая атмосферу: Новые конструкции спутников, оснащенные электрической тягой, использующей атмосферу, могли бы значительно сократить необходимость вывода из эксплуатации, поскольку они оставались бы в воздухе в течение длительного периода, используя газы из воздуха.
- Циркулярная экономика в космосе: Концепция циркулярной экономики в космосе предполагает обслуживание, обновление, заправку и даже переработку спутников на орбите, что минимизирует отходы и продлевает срок их службы. Европейское космическое агентство уже исследует это, демонстрируя потенциал посредством своей миссии RISE, предназначенной для стыковки и управления геостационарным спутником.
- Необходимость немедленных действий: Ученые подчеркивают, что сейчас самое время заняться этой проблемой. «Вроде как «давайте подумаем об этом позже», — говорит Штефан Лёле. «Но позже наступило сейчас».
Загрязнение космического мусора представляет собой новую и растущую угрозу для атмосферы нашей планеты. Хотя это еще не серьезный кризис, огромный объем запусков и уникальный состав участвующих материалов требуют срочного внимания и инновационных решений для предотвращения долгосрочных экологических последствий.
