Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Sustainability, показывает, что выбросы парниковых газов вызывают сжатие верхней атмосферы Земли, что может значительно увеличить риск столкновений спутников и космического мусора на низкой околоземной орбите. К 2100 году при сохранении текущих тенденций выбросов пропускная способность наиболее популярных орбитальных регионов может сократиться на 50-66%, что создает серьезную угрозу для будущих космических операций и делает космическое пространство менее безопасным для новых спутников.
Механизм воздействия парниковых газов на верхние слои атмосферы
Термосфера представляет собой слой атмосферы, расположенный на высоте от 85 до 600 километров над поверхностью Земли, где находится большинство спутников и Международная космическая станция. Недавние исследования ученых из Массачусетского технологического института и Университета Бирмингема показали, что углекислый газ и другие парниковые газы вызывают охлаждение и сжатие термосферы, в отличие от их воздействия на нижние слои атмосферы. Этот парадоксальный феномен объясняется тем, что парниковые газы, задерживающие тепло в тропосфере, фактически способствуют его отводу из верхних слоев атмосферы, что приводит к их охлаждению и сокращению объема. Вы узнаете 5 способов, которыми парниковые газы влияют на космическую среду и как это может изменить будущее космической деятельности человечества.
Парниковые газы, особенно CO2, очень эффективно поглощают и переизлучают инфракрасное излучение. В нижней атмосфере эти газы улавливают и удерживают часть инфракрасного излучения, исходящего от поверхности Земли, что вызывает общий эффект потепления. Однако в верхних слоях атмосферы механизм работает иначе. Теплопроводность перемещает тепло из верхней термосферы в область между 90 и 135 километрами, где оно излучается молекулами CO2 в космическое пространство. Таким образом, повышение концентрации CO2 неизбежно приводит к охлаждению верхней атмосферы и, как следствие, к ее сжатию.
Как показали мои исследования этой темы, скорость увеличения концентрации CO2 в верхней атмосфере за последние 13 лет значительно превышает прогнозы, сделанные на основе существующих химико-климатических моделей. Данные измерений, полученные с помощью инструмента SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry), демонстрируют рост концентрации примерно на 5% за десятилетие на высоте около 80 км и ниже, что соответствует тенденции в тропосфере. Однако выше 80 км тенденция увеличения CO2 значительно больше, достигая примерно 12% за десятилетие на высоте 110 км. Это расхождение между наблюдаемыми данными и моделями указывает на недостаточное понимание процессов переноса CO2 в верхние слои атмосферы.
Я обнаружила, что для моделирования будущих изменений в термосфере исследователи используют модель WACCM-X (Whole Atmosphere Community Climate Model, eXtended), которая учитывает физические, химические и динамические процессы, происходящие в атмосфере от поверхности Земли до высот 400-700 км. Эта модель позволяет прогнозировать долгосрочные изменения плотности термосферы при различных сценариях выбросов парниковых газов и разных уровнях солнечной активности.
Влияние сжатия термосферы на спутниковые операции
Сжатие термосферы приводит к уменьшению ее плотности, что в свою очередь снижает атмосферное сопротивление, испытываемое спутниками и космическим мусором. Это уменьшенное сопротивление создает серьезные проблемы для космических операций, так как влияет на естественные процессы, которые помогают очищать орбиту от космического мусора и возвращать старые спутники на Землю. При меньшем сопротивлении космический мусор и вышедшие из строя спутники остаются на орбите значительно дольше, увеличивая риск столкновений с действующими аппаратами.
Я часто задумываюсь о том, что спутники проектируются с учетом постепенного снижения высоты из-за атмосферного сопротивления, что в итоге приводит к их входу в плотные слои атмосферы, где они сгорают. Этот естественный механизм утилизации является ключевым элементом в стратегии управления космическим мусором. Однако по мере уменьшения сопротивления этот процесс занимает все больше времени, оставляя неработающие спутники на орбите и способствуя усугублению проблемы космического мусора. Это делает среду на низкой околоземной орбите все более опасной, усложняет эксплуатацию новых спутников и увеличивает вероятность столкновений.
Особенно тревожной выглядит ситуация для популярных орбитальных регионов, где моделирование показывает 50-66% сокращение пропускной способности к 2100 году по сравнению с уровнями выбросов 2000 года. Во время периодов минимальной солнечной активности это сокращение может быть еще более драматичным — до 82% в сценариях с высоким уровнем выбросов. Эти прогнозы подчеркивают острую необходимость в разработке устойчивых практик управления космическим пространством и контроля космического мусора.
Термосфера регулярно испытывает расширение и сжатие в ответ на солнечную активность, интенсивность которой циклически меняется примерно каждые 11 лет. Глобально усредненная плотность термосферы на низкой околоземной орбите может варьироваться на порядок между солнечным минимумом и максимумом. Однако антропогенное воздействие накладывается на эти естественные циклы, усугубляя проблему в периоды низкой солнечной активности.
Прогнозы сокращения орбитальной емкости и риск синдрома Кесслера
Команда исследователей из MIT провела моделирование влияния выбросов углерода на верхнюю атмосферу и орбитальную динамику, чтобы оценить "пропускную способность спутников" низкой околоземной орбиты. Для каждого диапазона высот они анализировали орбитальную динамику и угрозу столкновений спутников, основываясь на количестве объектов в этой области. С помощью этого подхода удалось определить "пропускную способность" каждого диапазона — максимальное количество спутников, которое может безопасно находиться в нем.
Результаты моделирования показывают, что к 2100 году количество спутников, которые могут безопасно размещаться в пределах высот от 200 до 1000 километров, может снизиться на 50-66% даже при сохранении уровня выбросов 2000 года. Я нахожу особенно тревожным тот факт, что если емкость орбиты будет превышена, возникнет так называемая "неуправляемая нестабильность" — каскад столкновений, который сделает определенные орбитальные зоны полностью непригодными для безопасных спутниковых операций.
Сжимающаяся термосфера и уменьшенное атмосферное сопротивление существенно повышают риск развития катастрофического сценария, известного как синдром Кесслера. Этот феномен, предложенный учеными НАСА Дональдом Кесслером и Бертоном Кур-Палэ в 1978 году, описывает ситуацию, когда плотность объектов на орбите становится настолько высокой, что столкновения между ними создают каскад обломков, экспоненциально увеличивая риск дальнейших столкновений. Такой сценарий может сделать определенные орбитальные регионы непригодными для использования на многие поколения.
Угроза синдрома Кесслера уже не является чисто теоретической. Недавний инцидент с китайской ракетой "Чанчжэн-6A", которая разрушилась на орбите 9 августа 2024 года, создал облако из сотен фрагментов мусора. Событие привело к образованию не менее 700 обломков, которые представляют серьезную опасность для спутников, особенно тех, что вращаются ниже 800 километров. Такие инциденты становятся все более опасными в условиях сжимающейся термосферы, когда естественные механизмы очистки орбиты работают медленнее.
Взаимосвязь между изменением климата на Земле и устойчивостью космической деятельности
Рассматриваемое исследование ярко иллюстрирует, как наше поведение на Земле влияет на космическое пространство, подчеркивая комплексный характер экологических проблем. Как отметил один из исследователей, Мэтью Браун из Университета Бирмингема: "Часто мы думаем только о воздействии изменения климата на земле или на уровне моря, но это исследование демонстрирует, что воздействие достигнет даже космоса". Эта взаимосвязь подчеркивает необходимость целостного подхода к устойчивому развитию, учитывающего как земные, так и космические аспекты человеческой деятельности.
Меня особенно впечатляет взаимодействие двух, казалось бы, несвязанных проблем современности: изменения климата и накопления космического мусора. К 2100 году, согласно наихудшему сценарию выбросов парниковых газов, количество спутников, которые могут безопасно размещаться на низкой околоземной орбите, сократится на 50-60% (с вариациями в зависимости от солнечной активности). Кроме того, мезосфера (50-85 км) и термосфера (85-600 км) будут продолжать охлаждаться и сжиматься, что приведет к изменению динамики схода спутников с орбиты.
Низкая околоземная орбита может рассматриваться как ограниченный природный ресурс, находящийся в режиме открытого доступа. Это исчерпаемый ресурс (использование его одним участником ограничивает возможности других) без возможности исключения других пользователей. Такая ситуация типична для "трагедии общин" — сценария, когда общий ресурс чрезмерно эксплуатируется из-за конфликта между индивидуальными интересами и общим благом.
Как подчеркивает ведущий автор исследования, Уильям Паркер из MIT: "Изменение климата и накопление орбитального мусора — это два актуальных вопроса неразрывной глобальной озабоченности, требующие единых действий". Я полностью согласна с этой оценкой и считаю, что меры по снижению выбросов парниковых газов должны рассматриваться не только как способ защиты земной экосистемы, но и как необходимое условие для обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности.
Возможные решения и стратегии смягчения последствий
Перед лицом описанных вызовов необходимы скоординированные международные усилия для решения как проблемы изменения климата, так и накопления орбитального мусора. Я убеждена, что устойчивая политика должна применяться ко всем аспектам человеческой деятельности — от сокращения выбросов парниковых газов до регулирования запусков и эксплуатации спутников.
Как отметил один из авторов исследования, Уильям Паркер: "Мы полагаемся на атмосферу для очистки наших обломков. Если атмосфера меняется, то и среда обломков изменится тоже. Мы показываем, что долгосрочная перспектива орбитальных обломков критически зависит от сокращения наших выбросов парниковых газов". Это высказывание подчеркивает взаимосвязь между земными и космическими аспектами устойчивого развития.
Для эффективного управления космическим пространством потребуются новые технологические решения и международные соглашения. Это включает разработку спутников с улучшенными возможностями избегания столкновений, систем активного удаления космического мусора и более строгих стандартов для проектирования спутников, обеспечивающих их надежный сход с орбиты в конце срока службы. Также необходимо усовершенствовать системы мониторинга космического мусора и прогнозирования столкновений, особенно учитывая изменяющиеся характеристики термосферы.
Международное сотрудничество является ключевым фактором успеха в решении проблемы устойчивости космического пространства. Необходимо разработать и внедрить эффективные механизмы управления общими ресурсами, такие как ограничения на количество запускаемых спутников, обязательные технологии для снижения риска образования мусора и экономические стимулы для ответственного поведения в космосе. Я считаю, что только общими усилиями мы сможем обеспечить долгосрочную устойчивость космической деятельности в условиях меняющегося климата Земли.
Заключение
Исследование, проведенное учеными из MIT и Университета Бирмингема, раскрывает неожиданную связь между выбросами парниковых газов на Земле и будущим космических операций. Сжатие термосферы вследствие увеличения концентрации CO2 и других парниковых газов представляет серьезную угрозу для космической деятельности, потенциально сокращая пропускную способность низкой околоземной орбиты на 50-66% к 2100 году.
Эти выводы наглядно демонстрируют, что наши действия на Земле имеют далеко идущие последствия, затрагивающие даже околоземное космическое пространство. Мы полагаемся на атмосферу как на механизм естественной очистки орбиты от космического мусора, и если атмосфера меняется из-за антропогенной деятельности, то меняется и среда космического мусора. Это делает борьбу с глобальными выбросами парниковых газов необходимым условием для обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности.
Я благодарна вам за внимание к этой важной теме, находящейся на стыке экологии, космонавтики и глобальной безопасности. Представленные данные еще раз подтверждают, что любая человеческая деятельность должна рассматриваться в контексте ее долгосрочных последствий для всех сфер нашего существования. Подпишитесь, чтобы не пропустить новые статьи о взаимосвязи климатических изменений и космической деятельности, а также о других актуальных научных исследованиях, затрагивающих наше будущее.