Парниковый эффект на орбите: спутникам грозит перенаселение

Выбросы парниковых газов изменяют среду околоземного космического пространства таким образом, что со временем это приведет к сокращению числа спутников, которые могут там устойчиво функционировать. К такому выводу пришли инженеры аэрокосмической отрасли из Массачусетского технологического института (MIT).

В исследовании, которое появится в журнале Nature Sustainability, ученые сообщают, что углекислый газ и другие парниковые газы могут вызывать сжатие верхних слоев атмосферы. Особый интерес представляет термосфера – слой, где сегодня вращается Международная космическая станция и большинство спутников. Когда термосфера сжимается, уменьшение ее плотности снижает атмосферное сопротивление – силу, которая притягивает старые спутники и другой мусор на высоты, где они сталкиваются с молекулами воздуха и сгорают.

Следовательно, меньшее сопротивление означает увеличение срока службы космического мусора, который будет десятилетиями засорять востребованные регионы и повышать вероятность столкновений на орбите. Команда провела моделирование влияния выбросов углерода на верхние слои атмосферы и орбитальную динамику, чтобы оценить «пропускную способность» низкой околоземной орбиты для спутников. Эти симуляции предсказывают, что к 2100 году пропускная способность наиболее популярных регионов может сократиться на 50-66 процентов из-за воздействия парниковых газов.

Ричард Линарес, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики MIT (AeroAstro) и автор исследования, отмечает, что наше поведение с парниковыми газами на Земле за последние 100 лет оказывает влияние на то, как мы будем эксплуатировать спутники в течение следующих 100 лет.

Ведущий автор Уильям Паркер, аспирант AeroAstro, добавляет, что верхние слои атмосферы находятся в хрупком состоянии, поскольку изменение климата нарушает существующее положение вещей. Одновременно наблюдается массовый рост числа запускаемых спутников, особенно для предоставления широкополосного доступа в интернет из космоса. Паркер предупреждает, что если мы не будем тщательно управлять этой деятельностью и работать над сокращением выбросов, космос может стать слишком переполненным, что приведет к большему количеству столкновений и образованию мусора. В исследовании также участвовал Мэтью Браун из Бирмингемского университета.

Термосфера естественным образом сжимается и расширяется каждые 11 лет в ответ на регулярный цикл солнечной активности. Когда активность Солнца низкая, Земля получает меньше излучения, и ее внешняя атмосфера временно охлаждается и сжимается, прежде чем снова расшириться во время солнечного максимума. В 1990-х годах ученые задались вопросом, как термосфера может реагировать на парниковые газы. Их предварительное моделирование показало, что, хотя газы удерживают тепло в нижних слоях атмосферы, где мы наблюдаем глобальное потепление и погодные явления, те же газы излучают тепло на гораздо больших высотах, эффективно охлаждая термосферу. Исследователи предсказали, что из-за этого охлаждения термосфера должна сжиматься, уменьшая плотность атмосферы на больших высотах.

В последнее десятилетие ученым удалось измерить изменения в сопротивлении, действующем на спутники, что предоставило некоторые доказательства того, что термосфера сжимается в ответ на нечто большее, чем естественный 11-летний цикл Солнца. Паркер говорит, что «небо буквально падает» – просто со скоростью, измеряемой десятилетиями, и это видно по изменению сопротивления, действующего на спутники.

Команда MIT задалась вопросом, как эта реакция повлияет на количество спутников, которые могут безопасно работать на околоземной орбите. Сегодня на низкой околоземной орбите, описывающей область космоса до 2000 километров от поверхности Земли, находится более 10 000 спутников. Они предоставляют важные услуги, включая интернет, связь, навигацию, прогнозирование погоды и банковские операции. Количество спутников резко возросло в последние годы, требуя от операторов регулярных маневров уклонения от столкновений для обеспечения безопасности. Любые столкновения могут порождать обломки, которые остаются на орбите на десятилетия или столетия, увеличивая вероятность последующих столкновений как со старыми, так и с новыми спутниками.

Паркер сообщает, что за последние пять лет было запущено больше спутников, чем за предыдущие 60 лет вместе взятые. Он подчеркивает, что одна из ключевых задач, которые они пытаются понять, – является ли путь, по которому мы идем сегодня, устойчивым.

В своем новом исследовании ученые смоделировали различные сценарии выбросов парниковых газов в течение следующего столетия, чтобы изучить их влияние на плотность атмосферы и сопротивление. Для каждой «оболочки», или интересующего диапазона высот, они затем смоделировали орбитальную динамику и риск столкновения спутников на основе количества объектов внутри оболочки. Этот подход использовался для определения «пропускной способности» каждой оболочки – термина, который обычно используется в экологических исследованиях для описания количества особей, которое может поддерживать экосистема.

Паркер объясняет, что они берут эту идею пропускной способности и переносят ее на проблему устойчивости космоса, чтобы понять, сколько спутников может выдержать низкая околоземная орбита. Команда сравнила несколько сценариев: один, в котором концентрации парниковых газов остаются на уровне 2000 года, и другие, где выбросы изменяются в соответствии с Общими социально-экономическими путями (SSP) Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Они обнаружили, что сценарии с продолжающимся ростом выбросов приведут к значительному снижению пропускной способности на всей низкой околоземной орбите.

В частности, команда оценивает, что к концу этого столетия количество спутников, безопасно размещаемых на высотах от 200 до 1000 километров, может сократиться на 50-66 процентов по сравнению со сценарием, в котором выбросы остаются на уровне 2000 года. Если пропускная способность спутников будет превышена, даже в локальном регионе, исследователи предсказывают, что регион испытает «неконтролируемую нестабильность», или каскад столкновений, который создаст столько мусора, что спутники больше не смогут там безопасно работать.

Их прогнозы простираются до 2100 года, но команда утверждает, что некоторые «оболочки» в атмосфере уже сегодня переполняются спутниками, особенно из-за недавних «мегасозвездий», таких как Starlink компании SpaceX, которые включают флотилии из тысяч малых интернет-спутников.

Линарес говорит, что мегасозвездия – это новая тенденция, и их исследования показывают, что из-за изменения климата пропускная способность на орбите сократится. Он также отмечает, что в некоторых регионах мы уже сегодня приближаемся к этому предельному значению.

Паркер добавляет, что мы полагаемся на атмосферу для очистки от нашего мусора, и если атмосфера меняется, то и среда космического мусора тоже изменится. Он подчеркивает, что их работа показывает: долгосрочные перспективы проблемы космического мусора критически зависят от сокращения выбросов парниковых газов.