Физики впервые смогли напрямую измерить уровень химического загрязнения мезосферы Земли в результате сгорания в ней фрагментов космического мусора. Это произошло в феврале 2025 года, когда наземный лидар обнаружил плотный четкий шлейф из атомов лития, возникших при атмосферной абляции второй ступени ракеты-носителя Falcon 9 во время ее неконтролируемого возврата в атмосферу. Статья опубликована в журнале Communications Earth & Environment.
По мере того, как человечество наращивает темпы освоения околоземного пространства, проблема космического мусора становится все более обсуждаемой. Использованные ступени ракет способны мешать авиасообщению, падать на постройки и людей, а рост числа завершивших работу спутников ведет к увеличению частоты столкновений аппаратов или их внезапному разрушению, засорению околоземных орбит опасными обломками и синдрому Кесслера.
Еще одной важной и до сих пор малоизученной проблемой, связанной с космическим мусором, стало постепенное изменение свойств и химического состава верхних слоев атмосферы Земли из-за увеличения частоты повторного входа в атмосферу и абляции отработанных фрагментов ракет-носителей и спутников. В частности, прогнозируется постоянный рост притока металлов антропогенной природы (таких как алюминий, медь, ниобий, гафний, олово, литий или молибден) в стратосферу Земли, который в ближайшие три десятилетия может превысить приток металлов из космической пыли и микрометеоритов и изменить свойства слоев аэрозолей и ледяных частиц. Кроме того, увеличение содержания наночастиц оксидов алюминия из-за создания мегасозвездий спутников способно вести к истощению озонового слоя. Однако до сих пор не было случаев прямых измерений влияния сгорания космического мусора в атмосфере на ее свойства.
Робин Винг (Robin Wing) из Института атмосферной физики Ассоциации Лейбница и его коллеги опубликовали результаты прямой оценки уровня загрязнения верхних слоев атмосферы Земли, возникшего в результате неконтролируемого входа в атмосферу отработанной второй ступени ракеты Falcon 9. Он произошел на высоте около ста километров над западным побережьем Ирландии ночью 19 февраля 2025 года. В конечном итоге ступень сгорела и разрушилась, а часть ее обломков нашли вблизи города Познань в Польше.
Ученые анализировали данные содержания атомов лития в мезосфере во время сгорания ступени, полученные при помощи наземного резонансного флуоресцентного лидара, установленного в Кюлунгсборне. Данные по локальной динамике мезосферы они получили при помощи метеорного радара SIMONe Germany, а для расчета ветров использовали модель общей циркуляции ICON для верхних слоев атмосферы. Литий исследователи выбрали из-за его крайне низкого содержания в хондритовых метеороидах и широкого применения в составе космических аппаратов, а также из-за удобства регистрировать его малые содержания в мезосфере при помощи лидара.
В ходе шестичасовых наблюдений исследователи выявили в данных лидара резкое десятикратное увеличение концентрации мезосферного лития, которое регистрировалось в течении сорока минут и было интерпретировано как плотный и четко очерченный шлейф на высотах от 94,5 до 96,8 километра. Сравнение данных наблюдений с результатами моделирований и данными по динамике мезосферы позволило исключить естественные источники лития, такие как ионосферные слои ионов металлов, и связать литиевый шлейф с траекторией входа в атмосферу второй ступени Falcon 9.
Исследователи отмечают, что данные по содержанию лития, полученные лидаром, стоит считать нижним пределом оценки, так как часть атомов лития, возникших в ходе абляции ступени, стала молекулами на высотах ниже 95 километров, и ионами — на высотах выше ста километров. Влияние литиевого шлейфа на химические процессы в мезосфере пока что трудно оценить, однако результаты работы говорят о том, что наземные лидары пригодны для мониторинга влияния сгорания космического мусора на параметры атмосферы и накопления данных для проверки моделей.
А еще рост числа спутниковых группировок вредит астрономам — аппараты портят снимки как космическим, так и наземным телескопам.