Нов екологичен проблем: изгарящите спътници

Новите генерации спътници са с много по-кратък живот и, за да не генерират космически отпадъци, ще бъдат изгаряни чрез навлизане в земната атмосфера, генерирайки 4000 тона пепел всяка година (графика: CC0 Public Domain)

Ако някой си мисли, че изменението на климата може да спре, стига ей сега веднага да спрем да горим въглища и бензин, има изненада за него. Много повече и по-разнообразни ефекти върху климата ще има изгарянето на космическите ни отпдъци – сателитите от новите спътникови съзвездия, които сега се изграждат. Те ще пълнят атмосферата с богата палитра от вещества с неясно въздействие върху природата и здравето ни. 

В една ранна неделна утрин през септември екип от 12 изследователи, силно недоспали и смазани от часовата разлика, се събраха на най-отдалеченото летище в света. Там, на Великденския остров, на хиляди километри от бреговете на Чили, те се подготвяха за уникална надпревара: кой ще успее най-добре да улови последните мигове от живота на един падащ сателит, когато той навлезе в атмосферата и пламне в небето.

Този спътник беше Salsa, един от четири сателита, които са част от групата Cluster на Европейската космическа агенция (ESA). Salsa и нейните другарчета изучаваха магнитното поле на Земята от началото на 2000-те години, но мисията им вече е приключила. Месеци по-рано космическият апарат беше пратен на „спиралата на смъртта“, за да загине геройски в пламъци високо в земната атмосфера, на около 1600 км. от брега на Великденския остров.

Учените, въоръжени с прецизни изчисления на траекторията от наземния контрол на ESA, излетяха в нает бизнес-самолет с 25 камери и спектрометри, монтирани по прозорците. Надеждата беше, че ще успеят да съберат безценна информация за физичните и химичните процеси, които се случват, когато сателитите изгарят, падайки на Земята в края на своите мисии.

Този вид проучване става все по-необходимо. Преди около 15 години около нашата планета обикаляха едва хиляда сателита. Сега броят им е нараснал до около 10 000, а с появата на сателитни съзвездия като Starlink се прогнозира ново десетократно увеличение на броя на спътниците до края на това десетилетие.

В края на своя жизнен път тези сателити ще бъдат сваляни и оставяни да изгорят в атмосферата. Това изгаряне е важно, за да не се трупа космически боклук в орбита. Но подходът означава много сателитна пепел в средните слоеве на земната атмосфера. Тази пепел, съдържаща метали, може да навреди на атмосферата и потенциално да измени климата. Учените все още не знаят колко сериозен ще бъде проблемът през следващите десетилетия.

Пепелта от изгарянето съдържа вещества, увреждащи озона. Проучванията чрез моделиране показват, че някои от химичните компоненти могат да охладят стратосферата на Земята, докато други е вероятно да я затоплят. Някои учени се притесняват, че металните частици ще взаимодействат с магнитното поле на Земята, което може да има най-разнообразни ефекти, включително да се „скрие“ видимостта на сателитите за наблюдение на Земята.

„Трябва да узнаем какъв вид физика се случва там горе“, казва Стийн Леменс, старши анализатор в ESA, който ръководи кампанията. „Ако има повече [влизащи] обекти, ще има повече последствия“.

Изгарянето на Salsa беше едва петата подобна кампания за наблюдение в историята на космическите полети. Предишни кампании обаче проследиха много по-големи обекти, като например 19-тонната горна степен от ракетата Ariane 5. Salsa със своите 550 килограма беше доста „малка“. Но това я прави особено интересна за учените, защото точно този размер космически апарат е най-масово използван и все повече ще изпълва околоземната орбита през следващите години.

Недостатъкът на мега-съзвездията

По-голямата част от прогнозирания ръст в броя на сателитите се очаква да дойде от апарати с приблизително същия размер като Salsa: отделни членове на мега-съзвездия, проектирани да предоставят интернет услуга с прилична скорост и малка латентност – на всекиго и навсякъде.

Starlink на SpaceX е най-голямото съзвездие. Състоящо се в момента от около 6500 спътника, то се очаква да нарасне до повече от 40 000 устройства в някакъв момент през 2030 г. Други мега-съзвездия, включително Amazon Kuiper, това на френската E-Space и китайските проекти G60 и Guowang, са в процес на разработка. Всеки от тях може да включва няколко хиляди сателита – или дори десетки хиляди.

Разработчиците на мега-съзвездия не искат техните космически кораби да летят по две или три десетилетия като своите „колеги“ от старата школа. Собствениците искат да заменят тези орбитални интернет рутери с по-нова, по-добра технология на всеки пет години, изпращайки старите обратно в атмосферата, за да изгорят. Ракетите, необходими за изстрелването на всички тези сателити, излъчват свой собствен коктейл от замърсители (и техните горни степени също завършват живота си, изгаряйки в атмосферата).

Тоест, генериранет она космическа пепел ще нараства експоненцално. Количеството космически отпадъци, изпаряващи в земната атмосфера, се е увеличило повече от два пъти през последните няколко години, казва Джонатан Макдауъл, астроном от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън, който е водещ специалист по космически отпадъци. „Доскоро около 50 до 100 горни степени на ракети влизаха в атмосферата всяка година“, казва той. „Сега очакваме по 300 на година.“

През 2019 г. около 115 сателита са изгорели в атмосферата. 2024 година е рекордоьр: още преди да е изтекъл декември са налице 950 изгаряния на сателити, казва Макдауъл.

Масата на изгарящия космически боклук ще продължи да расте еквивалентно на размера на сателитните съзвездия. До 2033 г. обемът може да достигне 4000 тона годишно, според оценки, представени на семинар, наречен „Защита на Земята и Космоса от изхвърлянето на космически кораби и отломки“, проведен през септември в Университета на Саутхемптън в Обединеното кралство.

Най-важното е, че по-голямата част от пепелта, която произвеждат тези изгаряния, ще остане разпръсната и добре разтворена в разредения атмосферен въздух в продължение на десетилетия, може би векове. Но получаването на точни данни за изгарянето на сателитите е почти невъзможно, защото се извършва на територия, която е твърде висока за измерване с метеорологични балони и твърде ниска за сондажни инструменти на борда на орбитални сателити. Най-близкото, до което учените могат да стигнат, е дистанционното наблюдение на последните моменти на сателита.

Промяна на химията

Нито един от изследователите на борда на бизнес-самолета, превърнал се в научна лаборатория, излетял от Великденския остров през септември, не успя да види момента, в който Salsa избухна в огнена топка над дълбоките, тъмни води на Тихия океан. На фона на ярката дневна светлина мимолетната експлозия изглеждаше толкова ярка, колкото обедно пълнолуние.

Прозорците на самолета обаче бяха покрити с тъмен плат (за да се предотврати отразената отвътре светлина, която да изкриви измерванията), позволявайки само лещите на камерата да надничат навън, казва Иржи Шилха, главен изпълнителен директор на базираната в Словакия Astros Solutions – космическа ситуационна компания за повишаване на осведомеността, разработваща нови техники за наблюдение на космическите отпадъци, която координира кампанията за наблюдение.

„Бяхме на около 300 километра, когато това се случи – достатъчно далеч, за да избегнем удар от останалите отломки“, казва Шилха. „Всичко става много бързо. Обектът навлиза с много висока скорост, около 11 километра в секунда, и се разпада на 80 до 60 километра над Земята“.

Инструментите събраха измервания на разпадането във видимата и близката инфрачервена част на светлинния спектър, включително наблюдения със специални филтри за откриване на химически елементи, сред които алуминий, титан и натрий. Данните ще помогнат на учените да възстановят процеса на разпадане на сателита, като определят височините, на които се извършва изгарянето, температурите, при които се случва, и естеството и количеството на химичните съединения, които освобождава.

Прашните остатъци от Salsa вече са започнали своето бавно движение през мезосферата и стратосферата. По време на своето десетилетно спускане тези частици пепел ще взаимодействат с атмосферните газове, причинявайки беди, казва Конър Баркър, изследовател, специализиран в областта на атмосферното химическо моделиране, в University College London, както и автор на „инвентаризация на атмосферното замърсяване от сателити“, публикувана в началото на октомври в списание Scientific Data.

Телата на сателитите и степените на ракетите са направени предимно от алуминий, който изгаря и се превръща в алуминиев оксид – бяло, прахообразно вещество, за което е известно, че допринася за разрушаването на озоновия слой. Също така то отразява слънчевата светлина, което означава, че може да промени температурата на тези по-високи атмосферни слоеве.

„В нашите симулации започваме да виждаме затопляне с течение на времето на горните слоеве на атмосферата, което има няколко странични ефекта върху атмосферния състав“, казва Баркър. Например, някои модели предполагат, че затоплянето може да добави влага към стратосферата. Това може да разруши озоновия слой и да причини допълнително затопляне, което от своя страна да доведе до допълнително изтъняване на озоновия слой.

Наред с това екстремните скорости на навлизане на сателитите в атмосферата пораждат и „ударна вълна“, която компресира азота в атмосферата и го кара да реагира с кислород, произвеждайки азотни оксиди“, казва Макдауъл. Азотните оксиди също увреждат атмосферния озон. Понастоящем 50% от изтъняването на озона, причинено от изгаряне на сателити и изстрелване на ракети, идва от ефектите на азотните оксиди. Саждите, които произвеждат ракетите, също променят топлинния баланс на атмосферата.

В някои отношения атмосферното замърсяване на голяма надморска височина не е нещо ново. Всяка година около 18 000 тона метеорити се изпаряват в мезосферата. Дори след 10 години, ако всички планирани мега-съзвездия бъдат разработени, количеството естествена космическа скала, изгаряща по време на падането й на Земята, петкратно ще надвишава количеството изпепелен космически боклук.

Това обаче не е утеха. Метеоритите съдържат само следи от алуминий и тяхното атмосферно разпадане е по-бързо, което означава, че произвеждат по-малко азотен оксид, казва Баркър. „Количеството азотни оксиди, които получаваме [от изгарящи сателити и ракети] вече съответства на естествените емисии на азотни оксиди от падащите метеорити – а тепърва броят на изгрящите сателити ще нараства. При сегашните темпове този замърсител ще се окаже 10 пъти по-голям от количеството на естествените източници до 2040 г.

Въздействие върху Земята

Какво точно означава всичко това за живота на Земята? На този етап никой не е сигурен. Проучванията, фокусирани върху различни компоненти на коктейла от замърсяване на въздуха от сателитна и ракетна дейност, са малко.

Баркър казва, че компютърното моделиране оценява сегашния принос на космическата индустрия към общото изтъняване на озоновия слой на нищожните 0,1%. Но колко ще нарасне този дял след 10, 20 или 50 години – никой не знае. Има твърде много несигурности в това уравнение, включително размера на частиците – което ще повлияе на това колко време ще им отнеме да потънат надолу в атмосферата – и съотношението на частиците към газообразните странични продукти.

„Трябва да вземем решение, като общество, дали да дадем приоритет на намаляването на космическия трафик или намаляването на емисиите“, казва Баркър. „Много от тези увеличени нива на изгаряне са налице, защото глобалната общност работи наистина усилено за почистване на космически отпадъци в ниската околоземна орбита. Но ние трябва да разберем въздействието на тези емисии върху околната среда, за да можем да решим кой е най-добрият начин човечеството да се справи с всички тези обекти в космоса“.

Бедствието на изменението на климата през 21-ви век започна, когато човечеството започна да гори изкопаеми горива в средата на 19-ти век. После бяха достатъчни 40 години, за да успеят хлорфлуорвъглеводородите да пробият дупка в защитния озонов слой на Земята. Замърсяването на Земята от така наречените вечни химикали, използвани в производството на незалепващи покрития и противопожарна пяна, започна през 50-те години на миналия век. Изследователи като Макдауъл са загрижени, че историята може да се повтори отново.