Космический мусор, вращающийся вокруг Земли. 23 марта 2001 года в 8:59 по московскому времени группа российских космонавтов на острове Южного Фиджи взирала в небо и ждала. И вот они появились: на несколько мгновений в небе промелькнули золотистые огни, оставляя за собой дымовой след. Зрелище сопровождалось звуковыми ударами, возникающими, когда объекты преодолевают звуковой барьер.
Это был конец 1,9 миллиарда километрового (1,2 миллиарда миль) путешествия космической станции "Мир" вокруг Земли. После тщательно спланированных маневров с использованием двигателей модульная структура "Мира" массой 134 тонны вошла в атмосферу Земли и в конечном итоге упала в южную часть Тихого океана в районе, не заселенном людьми (SPOUA), регион в 34 раза больше Франции вокруг точки Немо — известного центра космического кладбища, огромной разрозненной свалки для устаревших предметов на орбите Земли в холодной и безлюдной части Южного Тихого океана.
Космическое кладбище холодной войны: точка Немо
Представьте себе безлюдную, ледяную пустыню в сердце Южного Тихого океана, примерно в 2,688 километрах (1,670 миль) от ближайшего кусочка суши. Ширина Средиземного моря от восточного побережья Испании до западного побережья Турции составляет около 2,500 километров. Это место — мир само по себе, отмеченный огромными, постоянно меняющимися волнами, впечатляющим небом и неумолимым, завывающим ветром.
Его глубокая изоляция, не затронутая типичной человеческой деятельностью, такой как судоходство или рыболовство, выделяет его. Удивительно, но его ближайшими "соседями" не являются моряки, а астронавты на борту Международной космической станции (МКС), проходящие над ним всего в 415 километрах (258 миль) вверху (в Средиземном море вы даже не добрались бы до Италии, отправившись из Испании). Это океанический полюс недоступности, точка Немо, названная в честь знаменитого подводного моряка из романа Жюля Верна "Двадцать тысяч лье под водой".
Вы не можете оказаться дальше от суши, чем в точке Немо, говорит NOAA.
Чтобы найти точку Немо на глобусе, представьте себе огромный промежуток непрерывного синего между Новой Зеландией и южным Чили; вы будете где-то посередине. Для точного определения нарисуйте воображаемую линию, соединяющую необитаемый атолл, острова Дюси и Пасхи на севере, остров Махер в Антарктике на юге, острова Чатем на западе и Чили на востоке. Точка Немо — это самая одинокая, отдаленная и безжизненная часть океана, где даже дно океана находится на удивительной глубине 13,000 футов (2.5 мили) под поверхностью.
С 1971 по 2018 год крупнейшие космические державы мира, включая Соединенные Штаты, Россию, Японию и Европу, намеренно опускали более 263 космических объектов в необитаемые воды вокруг точки Немо. В список небесного мусора входит упомянутое световое шоу советской эры космической станции "Мир", одного из последних компонентов соперничества в космической гонке холодной войны между Соединенными Штатами и Советским Союзом. И еще около 140 российских транспортных кораблей, шесть грузовых трансферных аппаратов, запущенных Японией, и пять от Европейского космического агентства (ЕКА). Более недавно ходят слухи, что часть ракеты-носителя капсулы SpaceX также попала в этот водный репозиторий.
Как космические аппараты находят путь к точке Немо? Какие остатки этих миссий теперь молча обитают в глубоких глубинах океана?
Космический мусор: последствия запусков ракет и нагрев при повторном входе в атмосферу
Итак, настоящий вопрос заключается в том, сколько космического мусора, подобного "Миру", выживает во время пылающего свободного падения через атмосферу Земли и внезапного погружения в океан?
Летя со скоростью 28,164 км/ч (что в 22 раза быстрее скорости звука), космический мусор — включая метеориты, астероиды и списанные космические корабли — оказывает такое давление на воздух, что разрывает химические связи, создавая электрически заряженную плазму. Этот интенсивный процесс приводит к их "сгоранию". Меньшие объекты испаряются, не достигая поверхности Земли. Судьба более крупных остатков другая. Есть части космических кораблей, которые, как правило, выдерживают повторный вход. Это обычно элементы, разработанные для выдерживания экстремальных температур и давления, необходимых для их первоначальных функций, такие как топливные баки или ракетные ускорители. Они получают дополнительную изоляцию из углеродных композитов, таких как углеродные волокна, которые остаются неповрежденными даже при воздействии высоких температур — ранние версии могли выдерживать температуру до 287°C.
Теперь, какими могут быть размеры фрагментов космических аппаратов в точке Немо?
Для "Мира", во время его повторного входа в атмосферу, эксперты предполагали, что этот огромный космический объект — состоящий из 13-метрового центрального модуля и пяти лабораторных модулей — распадется примерно на 1500 кусков мусора. Некоторые из самых крупных сегментов могли быть размером с маленькие автомобили, включая топливные баки, батареи, переборки и контейнеры для хранения, все они остаются под поверхностью океана в точке Немо.
Хьюстон, у нас проблема: потенциальное воздействие увеличения космических путешествий на окружающую среду
Когда мы думаем о космических путешествиях, они часто изображаются в кино и телевидении как чистое и неприкосновенное путешествие, и никогда не видят комментариев о побочных экологических эффектах.
Тем не менее, должно быть очевидно, что плотные облака от двигателей ракет выбрасывают загрязнения в атмосферу, как и любая приводимая в действие горением тяга (или, может быть, как никакая другая). И затем следуют ожидаемые последствия.
Возможно, наиболее ярким примером является обширная казахская степь, простирающаяся от северного Казахстана до России, где находится самый старый космодром мира, Байконур. Именно оттуда были запущены первый искусственный спутник "Спутник 1" и первый пилотируемый космический полет "Восток 1". Топливо, используемое многими ракетами, взлетавшими с Байконура, было УДМГ (несимметричный диметилгидразин), которому не требовался источник зажигания. Но оно получило зловещее прозвище "яд дьявола" из-за его крайне канцерогенных свойств. Результатом стала экологическая катастрофа в степи, когда УДМГ оседал и отравлял почву на десятилетия.
→ Космическая индустрия
Ракеты, в отличие от других источников загрязнения, выбрасывают газообразные и твердые химические вещества непосредственно в верхние слои атмосферы. Возможно, выбросы частиц сажи и других веществ не имели значения, когда в год проводилось всего около 70 коммерческих ракетных запусков. Но космическая индустрия переживает бум. В 2021 году было проведено 144 космические миссии по всему миру, и ожидается, что их число увеличится. Этот всплеск спроса является результатом снижения стоимости запусков, большей зависимости от спутниковых технологий и потенциала добычи космических ресурсов и военного применения. Коммерческие космические полеты компаний Virgin Galactic, Blue Origin и SpaceX показали, что космический туризм возможен, хотя масштаб этой начинающейся индустрии неясен. Прогнозы указывают, что мировой доход в этом секторе увеличится с $350 миллионов в 2019 году до более чем $1 триллиона к 2040 году.
Хотя вклад космической индустрии в выбросы в атмосферу незначителен по сравнению с такими отраслями, как коммерческая авиация, с более чем 20 миллионами полетов по всему миру, есть критическое различие. Авиационные средства выделяют загрязняющие вещества в тропосфере и нижней стратосфере, в то время как ракеты распределяют загрязнители от поверхности Земли до мезосферы, где они остаются дольше.
Исследование, возглавляемое Марайс и др., показывает, что всего лишь через три года запусков космического туризма выбросы черного углерода удвоятся. Более того, частицы, выбрасываемые ракетами, почти в 500 раз эффективнее задерживают тепло в атмосфере по сравнению со всеми другими источниками сажи, способствуя потеплению климата. Хотя текущий ущерб озоновому слою из-за запусков ракет ограничен, воздействие запусков для космического туризма может подорвать восстановление, достигнутое после успеха Монреальского протокола 1987 года, который запретил вещества, разрушающие озон.
Дополнительное исследование, опубликованное NOAA в Журнале атмосферных исследований "Geophysical Research Atmospheres", предполагает, что десятикратное увеличение запусков на углеводородном топливе, вероятное на основе тенденций космического движения, повредит озоновый слой и изменит атмосферные циркуляционные паттерны. Эти запуски в совокупности выбрасывают около 1000 метрических тонн черного углерода в стратосферу каждый год, с прогнозами, указывающими на возможное увеличение до 10,000 метрических тонн ежегодно в течение двух десятилетий. Это могло бы привести к повышению температуры до 1.5 градусов Цельсия в частях стратосферы и истончению озонового слоя. В сценариях, где до 100,000 метрических тонн черного углерода выбрасывается ежегодно, поверхность планеты могла бы испытывать охлаждение. Исследования показывают, что такая деятельность могла бы повысить температуру стратосферы на 0.5 до 2 градусов Цельсия, изменяя глобальные циркуляционные паттерны и замедляя субтропические струйные течения на 3.5%, ослабляя стратосферную циркуляцию.
→ Ученые NOAA связывают необычные металлические частицы в верхней атмосфере с ракетами и спутниками
Исследование на основе данных, собранных в ходе миссии Лаборатории химических наук NOAA, SABRE (Процессы стратосферных аэрозолей, бюджет и радиационные эффекты), устанавливает первую неопровержимую связь между загрязнением стратосферы и повторным входом космического мусора. Наравне с обычной метеорной 'космической пылью', стратосфера, имеющая ключевое значение для регулирования климата Земли и защиты озонового слоя, содержит металлические частицы, происходящие от разрушения спутников и ракетных ускорителей при повторном входе. Эти металлы, включая ниобий и гафний, не встречаются в природе в свободном виде, но используются в различных приложениях.
Когда космический мусор встречает изменение климата
Подумайте о космическом мусоре как о захламленном чердаке Земли, наполненном списанными спутниками и остатками машин. Если не принять меры, эта проблема мусора может помешать будущему доступу в космос или даже сделать его невозможным.
И сначала будущее, где космический мусор и изменение климата являются взаимосвязанными проблемами, кажется как сравнение яблок с апельсинами. Тем не менее, обе проблемы возникают из-за человеческой деятельности, оставляя после себя долговременный беспорядок в нашей среде. Поскольку атмосфера Земли действует как естественный очиститель, притягивая орбитальный мусор к планете, где он сгорает в более плотной нижней атмосфере. Небо (или чердак) на самом деле может упасть нам на головы. Но вот поворот: уровни углекислого газа истончают верхнюю атмосферу, потенциально нарушая этот самоочищающийся процесс. Исследование 2021 года, представленное на Европейской конференции по космическому мусору, предполагает, что проблема может быть более серьезной, чем мы думали, с возможным увеличением количества космического мусора в 50 раз к 2100 году в худшем случае. Наша атмосфера играет ключевую роль в устранении космического мусора. Столкновения с молекулами воздуха создают сопротивление, притягивающее объекты в атмосферу, где они естественным образом разлагаются и распадаются в течение десятилетия.
На более низких высотах плотная атмосфера улавливает инфракрасное излучение в виде тепла. Однако выше 60 миль, где атмосфера истончается, тепло уходит в космос.
Эта потеря тепла приводит к сжатию атмосферы, уменьшая ее плотность на определенной высоте. С 2000 года атмосфера на высоте 250 миль потеряла 21 процент своей плотности из-за повышения уровней углекислого газа. Если эти уровни удвоятся к 2100 году, как предсказывается в худшем сценарии МГЭИК, эта потеря может достигнуть 80 процентов.
Для космического мусора это создает проблемы.
На данный момент на орбите на высоте 400 километров или ниже находятся более 21,006 объектов размером более четырех дюймов — и это только начало. Последние данные, связанные с космическим мусором, предоставлены Европейским космическим агентством в офисе космического мусора в ESOC, Дармштадт, Германия. (Информация последний раз обновлялась 12 сентября 2023 года)
- Количество запусков ракет с начала космической эры в 1957 году: около 6420 (не включая неудачи)
- Количество спутников, выведенных на орбиту этими ракетными запусками: около 15880
- Количество этих объектов, оставшихся в космосе: около 10590
- Количество этих объектов, все еще функционирующих: около 8700
- Количество объектов мусора, регулярно отслеживаемых сетями космического наблюдения и включенных в их каталог: около 34970
- Оценочное количество разрушений, взрывов, столкновений или аномальных событий, приводящих к фрагментации: более 640
- Общая масса всех космических объектов на земной орбите: более 11,000 тонн
- 36,500 объектов космического мусора размером более 10 см
- 1,000,000 объектов космического мусора от более 1 см до 10 см
- 130 миллионов объектов космического мусора от более 1 мм до 1 см
Количество объектов мусора, оцененное на основе статистических моделей, находящихся на орбите (MASTER-8, будущая популяция 2021). В худшем сценарии их орбитальный срок службы может увеличиться до 40 лет, что приведет к уменьшению количества предметов, спускающихся в нижнюю атмосферу. Это может увеличить количество объектов на этой высоте в 50 раз, достигнув примерно 125,000.
Грубая недоработка
Я постоянно использую спутники: сигнал телефона, GPS, FindMyiPhone, спутниковые изображения, Google Earth/Maps и т. д. Раньше я умела добираться в неизвестное место в неизвестном городе неизвестной страны просто по интуиции и через человеческие контакты. Сегодня я не могу дойти до продуктового магазина в двух кварталах от дома, не проверив пять раз GPS на телефоне.
Но какую цену мы платим за все эти удобства? За окружающую среду? За связь с тем, что действительно важно? Возможно, мы теряемся, несмотря на наличие всех координат.
По состоянию на 4 октября сайт отслеживания Orbiting Now перечисляет 8697 спутников, находящихся на орбите, из которых 7892 находятся на низкой околоземной орбите и предназначены для сгорания при повторном входе.
По словам Мартина Росса, «На данный момент доля стратосферного аэрозоля с металлическими ядрами составляет 10%, но за последние пять лет было запущено более 5000 спутников. Большинство из них вернутся в ближайшие годы».
Космическая индустрия функционирует в регуляторном «Диком Западе», не ограниченном международными договорами, подобными Монреальскому протоколу. У нее мало стимулов к изменениям из-за отсутствия регулирования, нежелания отказываться от безопасных и проверенных технологий и новых видов топлива, что означает дорогие новые двигатели и длительные испытания.
В мире, поглощенном бесконечной гонкой за технологическими чудесами, легко потеряться в великолепии звезд. Но наши небеса уже не так чисты, как когда-то, и пора задуматься о нашем воздействии на атмосферу.
В отдаленной безжизненной глубине точки Немо, где безжизненность отражает мрачное молчание космоса, мы создали кладбище, имеющее глубокие последствия для будущего как космоса, так и нашего собственного земного существования. Это пугающее напоминание о нашем неудержимом стремлении к звездам. Тем не менее, время идет, и когда МКС вернется на Землю в 2031 году, остается вопрос:
