2.3. Дія космічних ракет на верхні шари атмосфери

Вже в 60-х роках дослідники, що проводили спостереження іоносфери під час запусків потужних ракет-носіїв, звернули увагу на незвичайні явища в іоносфері: після запуску іоносфера, здавалося б, зникає поблизу сліду ракети, але через годину-другу картина нормальної іоносфери відновлювалася. Було висловлено припущення, що гази, що викидаються в іоносферу при польоті ракети, «виштовхують» розріджену іоносферну плазму. У результаті в іоносфері утворюється область зі зниженою щільністю плазми - «діра», яка після распливанія хмари газу знову затягується.

Поштовхом до подальшого дослідження явищ в іоносфері, супроводжуючих запуски ракетносітелей, стало виявлення так званого «Скайлеб-ефекту», який був виявлений при запуску в травні 1973 р. потужної ракети-носія «Сатурн-5», що виводила в космос станцію «Скайлеб». Двигуни ракети-носія працювали до висот 300 - 400 км, тобто в F-області іоносфери, де розташовується максимум іонізації іоносфери. Зіставлення ж даних по концентрації електронів в іоносфері при запуску станції «Скайлеб» і за добу до того показало, що ця концентрація після запуску ракети-носія зменшилася на 50%, причому площа обурення в іоносфері за даними спостережень радіомаяків досягла приблизно 1 млн. кв. км [7, 9].

Дані по іоносферних збурень при запуски потужних ракет-носіїв підтвердили необхідність ретельного і всебічного дослідження впливів існуючих та перспективних транспортних космічних систем на навколоземну середу. До теперішнього часу проведено також ряд експериментальних досліджень і модельних оцінок впливу, який чинять викиди рухових установок цих систем на хімічний склад атмосфери.

Так, частки аерозолю, викинуті двигунами ракет-носіїв, можуть існувати в стратосфері до року і більше, що може позначитися на тепловому балансі атмосфери. Крім того, такі продукти згоряння, як сполуки хлору, азоту і водню, є каталізаторами реакцій за участю молекул озону і їх роль у фотохімічному циклі озону велика, незважаючи на їх відносно малі концентрації в стратосфері.

Іоносферу «забруднюють» не тільки запуски ракет-носіїв. При польотах великих космічних апаратів, наприклад орбітальних станцій, в результаті мікротеченій і газовиділення матеріалів, а також роботи різних бортових систем утворюється вже згадувана власна атмосфера космічних апаратів, параметри якої можуть істотно відрізнятися від характеристик навколишнього середовища. По вимірах параметрів середовища біля станції «Скайлеб» і МТКК було зареєстровано збільшення тиску біля цих космічних апаратів на 3-4 порядку в порівнянні з тиском у навколишній атмосфері. Були відзначені також помітні зміни у нейтральному та іонному складі, обумовлені газовиділенням матеріалів станції, в електромагнітних випромінюваннях, потоках заряджених частинок [11].

2.4. «Консервація» космічних установок з ядерними джерелами живлення

Радіоактивне забруднення ОКП пов'язані з широким використанням в космонавтиці ядерних енергетичних джерел. Найбільш широко ядерні реактори використовувалися на вітчизняних супутниках серії "Космос". Ці реактори працювали на сплавах чи з'єднаннях урану: U-238 з 90%-ним і більш збагаченням по U-235. Основним способом забезпечення радіаційної безпеки була консервація ядерних енергетичних установок (точніше, активної зони) на достатньо високих орбітах, де час життя таких об'єктів багато більше часу розпаду осколків розподілу зупиненого ядерного реактора до безпечного рівня. До таких орбітам можна віднести все кругові орбіти, розташовані вище 700 км.

В даний час в ОКП на висотах 800-1000 км перебуває близько 50 об'єктів з радіоактивними фрагментами. США в набагато меншому ступені використовували ядерні енергетичні установки на космічних апаратах. Всього американцями було запущено 12 таких супутників, нами – 36 [12].

Система радіаційної безпеки передбачає зупинку реактора і переклад його на достатньо високу орбіту, де час життя подібного об'єкта явно перевищує час розпаду осколків розподілу продуктів зупиненого ядерного реактора. У разі відмови системи відведення ЯЕУ або космічного апарату разом з ЯЕУ на орбіту консервації, передбачено диспергирование ядерного реактора. Відповідна система включається до початку розігріву і аеродинамічного руйнування конструкції ЯЕУ і космічного апарату, пов'язаного з входом в щільні шари атмосфери. Надійність системи радіаційної безпеки оцінюється на рівні 10-4, що свідомо гірше прийнятих вимог щодо безпеки в галузях промисловості 10-5 - 10-6.

Працюючий ядерний реактор помітно змінює природну фонову картину потоків нейтронів і гамма-квантів в локальній області ОКП. Ці зміни тим помітніше, чим вище орбіта. Нейтронні потоки стають порівнянні з природним фоном на відстанях 100 км для низьких орбіт і 300 км для геостаціонарних орбіт. Тим не менш, навіть дуже потужні ядерні реактори (до 1 МВт) не можуть суттєво погіршити природний стан радіаційних поясів Землі.

Істотне порушення радіаційної обстановки в ОКП спостерігалося тільки після ядерних вибухів, які проводилися в шістдесяті роки. У результаті найбільш потужного з них, здійснюваного в рамках американського експерименту "Морська зірка", виникли так звані штучні радіаційні пояси, які за деякими даними (зокрема за спостереженнями полярних сяйв) зберігалися протягом декількох років. Наслідки ядерних вибухів для верхньої атмосфери і іоносфери були дуже нищівні, проте про їх справжні масштаби не дано судити, тому що в той час ще тільки починали розвиватися методи зондування цього середовища. Надалі будь-які ядерні випробування в космосі були заборонені.

Вибір орбіт консервації ядерних реакторів був здійснений в кінці 60-х років, коли рівень космічного сміття був ще не надто високий. Проте в даний час саме область висот 800-1000 км виявилася найбільш забрудненій, у зв'язку з чим виникла реальна небезпека руйнування ядерних реакторів в результаті зіткнень з фрагментами космічного сміття явно раніше, ніж станеться розпад осколків розподілу безпечного рівня. Розрахунки показують, що за час свого існування на орбіті (приблизно 200 років.) ядерний реактор може зазнати близько 20 аварійних зіткнень. Нещодавно (Назаренко, 1996) було показано, що одне зіткнення з часткою сміття розміром 0,5 см повинно мати місце в середньому за 6 років і за 26 років з часткою розміром 1 см. Наслідком такого зіткнення є руйнація ЯЕУ і розсіювання радіоактивного речовини в ОКП з можливим його осадженням у приземному атмосферу. Кілька років тому американські вчені повідомили про спостереження в ОКП радіоактивних фрагментів космічного сміття, зв'язавши їх поява з руйнуванням ядерних реакторів супутників "Космос" [11].

Виникає радіоактивне забруднення може становити небезпеку для робіт навігаційних систем, метеосупутників і систем спостереження за природними ресурсам які використовують близькі орбіти. Таким чином, саме зростання маси космічного сміття, будучи причиною руйнування ЯЕУ, визначає радіоактивне забруднення ОКП. Однак для ОКП це забруднення не представляє особливої ​​небезпеки в плані зміни властивостей цього середовища. Головна екологічно небезпека пов'язана з можливістю падіння фрагментів зруйнованих ЯЕУ і осадження радіоактивних речовин у приземному атмосферу і на поверхню Землі. Подібний випадок стався в 1978 р. при аварії супутника "Космос-954", коли великі радіоактивні осколки розсіялися на півночі Канади. Спеціальний аналіз атмосфери у різних точках планети у червні та вересні 1978 р. показав, що більша частина багатотонної маси "Космоса-954" випарувалася і була розсіяна в атмосфері Землі. У тому числі і по крайней мере 37,1 кг відпрацьованого ядерного палива.

Найбільшу небезпеку становлять викиди радіоактивного плутонію: плутонію-238, який виділяє в 280 разів більше енергії, ніж Рu-239, і відповідно в 280 разів більше радіоактивний, ніж плутоній-239. 450 г Рu-238 при його рівномірному поширенні досить, щоб викликати рак у всіх людей, що населяють Землю. Виведення в космос 32,75 кг Рu-238 еквівалентно за небезпекою виведенню в космос 770 кг плутонію -239.

21 квітня 1964 навігаційний супутник США "транзит" SВМ-3 не вийшов на заплановану орбіту, розвалився і згорів в атмосфері над західною частиною Індійського океану на північ від Мадагаскару, викинувши 950 г плутонію -238 загальної активністю близько 17 тис. Кі. У результаті вміст цього радіонукліда в навколоземному просторі збільшилося в три рази. У травні 1965 р. зміст цього плутонію на висоті 10 тис. м в південній півкулі було в 4 рази вище. Ніж у північному. До листопада 1970 р. в атмосфері залишалося близько 5% викинутого плутонію. А аналіз грунтів показав його присутність на всіх континентах.

У жовтні 1997 р. була запущена космічна станція "Кассіно" з 32,75 кг плутонію -238 до Сатурну, яка пролетіла в 312 милях від Землі в 1999 р. З 41 радянських (російських) космічних апаратів, які використовували ядерні енергетичні установки, шість зазнали аварії. Таким чином, надійність таких вітчизняних супутників не перевищує 85,4%, рівень свідомо неприйнятний, наприклад, в авіації і в багатьох інших областях. Цей факт зайвий раз підтверджує, що космонавтика залишається сферою особливо ризикованою діяльності, причому небезпечні наслідки цього ризику поширюються не тільки на прямих її учасників цієї, але і на людство в цілому [8, 10].

Таким чином, об'єкти сучасної та перспективної РКТ, особливо РН, є основними і потенційно небезпечними, що представляють серйозну екологічну небезпеку внаслідок значних запасів високоенергетичного хімічного палива. РКТ чинять негативний вплив на приземную атмосферу як при експлуатації, і при ліквідації та утилізації. Наявність на борту космічних апаратів ядерних джерел енергії, ядерного палива і радіоактивних матеріалів створює загрозу забруднення приземної атмосфери, а також поверхні Землі при аварійних ситуаціях.