Глобальные проблемы окружающей среды человечества проблемы экологии и безопасности ближнего космоса
Введение
Признанный во всем мире лауреат Нобелевской премии академик Петр Леонидович Капица, почетный член Британской и ряда других академий, выступая перед учеными Англии в 1976 году, дал перечень важнейших (глобальных) проблем человечества, от решения которых зависит дальнейшее существование человечества в 21 веке:
Рост народонаселения;
Потребность в энергетических ресурсах;
Потребность в промышленном сырье (природных ресурсах);
Рост загрязнения окружающей среды (включая ближний космос).
Из доклада эксперта ООН по проблеме освоения космоса Д. Кесслера
«Человеческая цивилизация обладает удивительным свойством: отвоевав у природы очередной уголок, тут же и непременно превращает его в очередную свалку. Ближний космос (околоземное космическое пространство с высотами до 36 000 км) не стал исключением»
Расширение масштаба человеческой деятельности в космосе за последние 40 лет (первый космический спутник был запущен в СССС в 1957 г., а первый человек в космосе был Ю.А. Гагарин в 1961г.) сопровождалось все нарастающим накоплением космических фрагментов в околоземном пространстве, среди которых прекратившие свое существование спутники, последние ступени ракетоносителей, элементы систем отделения спутников от носителей, разгонные блоки, обломки спутников и ракетоносителей, образовавшиеся в результате случайных или запланированных взрывов и т.п.
На 1 января 2004 г. произведено свыше 3560 запусков космических объектов различного назначения. В космосе успело побывать 435 землян из 31 страны мира, в том числе 273 астронавта из США, 101 россиянин, 11 граждан Германии, 9 французов, 8 канадцев, 5 японцев, 4 итальянца, по два человека из Бельгии и Болгарии, один китаец и т.д.
В настоящее время на нашей планете находятся 28 космодромов: в России 4 [Капустин Яр, Плесецк, Свободный, Байконур (совместно с Казахстаном)], в США – 8, в КНДР – 4, во Франции – 2, в Японии – 2, по одному в Бразилии, Италии, ЮАР, Израиле, Ираке, Индии, Австралии и один международный морской вблизи Полинезии.
На рис.1 показаны все космодромы, расположенные на нашей планете. Существующие космодромы подразделяются по количеству успешных запусков. Это космодромы, с которых осуществлено более 1000 запусков. Таких в мире всего два: Байконур и Плесецк . Далее космодромы с количеством запусков от 100 до 1000. Таких в мире четыре: Мыс Каннаверал и Ванденберг (США), Куру (Франция) и Капустин Яр (Россия). Затем космодромы с количеством запусков от 10 до 100 (их большинство). И последние космодромы с количеством запусков до 10. Имеется один космодром морского базирования. Он находится в Индийском океане вблизи Полинезии. С него осуществлено всего 7 запусков по международному соглашению. Он удобен тем, что находится на экваторе (минимальный расход топлива) и вблизи него нет практически морского судоходства, что делает запуски бзопасными и фрагменты космических запусков падают в безлюдный океан.
Рис.1. Расположение космодромов различных государств на Земле.
В мире, большинство космодромов расположены так, что под районы падения фрагментов космической техники задействованы участки океанов. Сухопутные районы используются при пусках с Байконура и космодромов Китая.
На космических орбитах сейчас находится 98 российских спутников. В настоящее время планируется в России создать глобальную навигационную систему (ГЛОНАСС) и тогда мы станем полностью независимы от американской системы GPS. В декабре прошлого года (2006 г.) было выведено три спутника этой системы, а к концу 2007 г. на орбитах будет находиться уже 18 аппаратов. В полном составе система ГЛОНАСС будет завершена к концу 2009 г. С 1 января 2007 г. Минобороны сняло все ограничения по точности определения координат с помощью системы ГЛОНАСС. Эту систему недавно резко критиковал 1-й зам. председателя правительства РФ А. Иванов за то, что она уже не удовлетворяет по точности современным требованиям и существенно уступает системе ГЛОНАСС. Как всегда ищут виновных. .
С другой стороны, на гражданские космические программы в прошлом году Россия потратила всего 400 млн. долларов. А США-12,5 миллиарда долларов, Франция 2,5 миллиарда, Китай-1,5 миллиарда, Германия-650 млн. долларов. По мнению Г. Райкова-председателя межфракционного депутатского объединения «Авиация и космонавтика России», лидера Народной партии, недостатоук средств-серьезная проблема для отечественного космоса, но не главная. «Реформой отрасли занимаются люди, от нее очень далекие. В стране нет никакой пропаганды космоса и космических технологий, а главное-у государства полностью отсутствует стратегия развития в области ракетно-космической техники»-поясняет Г.Райков. «Мировой рынок вооруженийй оценивается в 30 млрд. долларов в год, - говорит Г. Райков.- Доля России в нем составляет 10% (3 млрд.), и мы деремся за каждый процент. По некоторым оценкам, уже в 2005 году рынок космических услуг превзойдет оружейный в два раза-до 60 млрд. в год. А здесь доля России-меньше 1%. Но России вполне по силам занять в нем гораздо большую ношу. Это и говорит о том, что реформой этой важнейшей в будущем отрасли (ракетно-космической) занимаются некомпетентные люди - временщики. В настоящее время в России рубль, вложенный в космос, даёт 2,5 рубля прибыли. В США доллар, вложенный в космическую деятельность, дает 4 доллара прибыли. Деньги в космос вкладывать просто выгодно. Вспомним полёт американцев на Луну. Чего ради надо было лететь, вкладывая огромные средства, если не считать престижа страны? А ведь вслед за этим потянулся целый шлейф уникальных научных разработок, которые пригодились в материаловедении, машиностроении, создании новых систем управления, связи и телевидения (цифровые).
Как заявлено в Росавиакосмосе на Луну и Марс полеты пока (в ближайшие 10 лет) пока не планируются. Намечены отдельные программы исследований Луны и планет с помощью автоматических космических аппаратов. И еще заложена подготовка к длительным пилотируемым полётам. В Институте медико – биологических проблем уже в этом (2007 году) начнётся эксперимент продолжительностью 520 суток, который будет имитировать полет на Марс.
Различные проекты строительства баз и поселений предлагают американцы. Очень популярна у них идея доставки с Луны изотопа гелий – 3, который необходим для управляемого термоядерного синтеза, а значит, для перспективной энергетики будущего.
О важности космической деятельности говорит следующий факт: это доктрина подписанная президентом США об освоении космоса. Это достаточно жесткий документ. Наступил такой период, когда безопасность страны напрямую зависит от космической деятельности, ведь, если вывести из строя орбитальную группировку аппаратов связи и вещания, какой хаос начнется в стране! СШа приняли свою доктрину с целью недопущения подобных ситуаций. И они готовы противостоять этому любыми средствами, вплоть до того, чтобы выводить в космос своё новейшее вооружение. России следует сделать из этого серьёзные выводы.
Последние данные о соотношении вооруженных сил США и России.
На рис. 2 приведены данные о соотношении военной мощи США и России.
Рис. 2. Данные о вооружённых силах США и России.
При первом взгляде на соотношение сил кажется, что по многим показателям у нас почти паритет. На самом деле нашей стране с большим трудом удаётся поддерживать баланс сил даже в области ядерной триады. Это стратегические бомбардировщики; атомные подводные лодки и мобильные баллистические ракеты наземного базирования (первые три граф рисунка). Хотя и здесь при сопоставимом числе атомных подводных лодок российские ракетоносцы выходят в море эпизодически, в то время как существенная часть американских лодок всё время находятся на дежурстве под водой. Обычные вооружения у России всё заметнее устаревают и сокращаются. Например, 10 лет назад танков у нас было вдвое больше. Ещё хуже дела обстоят в ВВС. Износ нашей авиационной техники составляет более 50%. В ближайшее время численность состоящих на вооружении ВВС РФ самолётов всех типов уменьшится с 5100 в 2002 г. до 2000 машин в 2010 г. В ВВС США эти цифры на порядок выше.
Личные впечатления от Всесоюзной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» в г. Владивостоке в1989 г (сентябрь).
Космический техногенный мусор.
Осколки космических объектов, накапливаясь на околоземных орбитах, образуют так называемый космический техногенный мусор, чрезмерное обилие которого уже в настоящее время представляет реальную опасность для запускаемых новых космических аппаратов, действующих космических станций с человеком на борту и для космонавтов, особенно при их работе в открытом космосе и т.п.
Засорять космос человек начал давно. Как пишут сотрудники института астрономии РАН «в 1961 году произошел первый взрыв ступени ракеты-носителя спутника США серии «Транзит», а в 1964 году – первый целенаправленный взрыв (по команде с Земли) советского спутника «Космос-50»». Начался рост числа «рукотворных», но уже никому не нужных предметов на околоземных орбитах. Но на первых порах накопление космического мусора не волновало ни ученых, ни проектировщиков космической техники, ни общественность. О проблеме загрязнения космоса заговорили лишь в 80-е годы, потому как сложившееся положение в околоземном пространстве начало представлять угрозу для окружающей среды, для пилотируемой космонавтики, для долговременных спутников и космических аппаратов, а так же для населения Земли. Тогда и появилось понятие «космический мусор». За годы космической деятельности человека на разные околоземные орбиты и в далекий космос было запущено более 20 000 объектов общей массой свыше 3 000 тонн. Как утверждают астрономы, наиболее засорены области околоземных орбит на высотах 850-1200 км и в зоне геостационарной орбиты. Здесь же концентрируется и космический мусор. По мнению директора Центра программных исследований Российского космического агентства Г.А. Чернявского, главным источником мусора на сегодняшний день являются аварийные запуски ракет. Именно они дают до 80 % всего мусора с размером частиц более 5 см, а ежегодно таких аварий происходит около десятка: взрываются баки с топливом, двигатели, аккумуляторные батареи, газовые баллоны и т.п. Да что аварии ! Оказывается, до недавнего времени весь мусор с орбитальных станций просто выбрасывался за борт, а пустые топливные баки и прочие емкости взрывали. Теперь (по Международному соглашению) контейнеры с отходами затапливаются в Мировом океане.
Постоянно увеличивающаяся плотность загрязнения ближнего космос повышает вероятность столкновения элементов техногенного мусора друг с другом и с космическими объектами, что в свою очередь вызывает рост плотности загрязнения. Иными словами, неразумное пополнение космического мусора может привести к лавинообразному процессу повторных столкновений осколков и невозможности космических полетов уже в первой половине XXI века.
В дальнейшем подобные объекты будем называть техногенными телами (осколками), что подчеркивает их образование в результате технической деятельности человека в околоземном космическом пространстве и отделяет их от естественных объектов, основной составляющей которых являются метеороиды и астероиды, которые так же представляют опасность для космических аппаратов при их столкновении.
Об опасности столкновения Земли с астероидами.
ПРОШЛОЕ. На полуострове Юкатан (территория современной Мексики) находится кратер Чиксулуб диаметром 180 км. Предполагается, что он образовался в результате падения астероида размером около 10 км 65 млн. лет назад. Его удар вызвал цунами высотой до 100 м, а поднятые частицы пыли привели к эффекту ядерной зимы. В течение нескольких лет на поверхность Земли не проникали прямые солнечные лучи, в результате чего произошло массовое вымирание крупных животных и гибель динозавров. Самый большой след от падения метеорита находится в Канаде. Диаметр кратера 200 км, возраст 1,85 млрд. лет.
БУДУЩЕЕ. По расчётам учёных астероид Апофис диаметром 390 м пролетит рядом с Землёй 13 апреля 2029 года. Если он окажется точно на расстоянии 30 тыс. 404,5 км от нашей планеты, то попадёт в так называемую «замочную скважину». Сила притяжения Земли изменит траекторию Апофиса, и в следующий раз, 13 апреля 2036 года, вероятность столкновения с ним будет близка к 100%.
По расчетам ученых общая масса космического мусора уже сейчас в 15 раз превышает количество находящихся на космических орбитах естественных частиц (пыли и метеоритов).
Технический прогресс современного общества (включая и освоение космического пространства) значительно увеличил реальную опасность для всего человечества. Инертность мышления, отсутствие системного подхода к анализу экологических последствий воздействия на природу приводит к тому, что люди обычно принимают меры лишь тогда, когда пагубные последствия их деятельности становятся сравнимыми со стихийными бедствиями.
Ситуация с освоением космоса аналогична экологической обстановке на Земле: остановить развитие «грязных» производств на всей планете невозможно, можно лишь разрабатывать новые экологически чистые технологии и пытаться ограничить применение старых технологий.
1.ТЕХНОГЕННЫЙ МУСОР-ПРОИСХОЖДЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ.
Большая часть владельцев космических аппаратов в ранние периоды освоения космоса полагали, что их спутники запускаются в безграничное космическое пространство. Но со временем это пространство (особенно ближний космос) стало заметно заселенным, ибо большинство спутников надолго остается в космосе (до сотен лет). На стадии активного существования спутника, как правило, поддерживаются параметры его орбиты и существует активная радиосвязь с Землей. После выполнения функциональной задачи или в случае аварийной ситуации спутник превращается в пассивный орбитальный объект и переходит в разряд космического мусора. Особенно интенсивным источником загрязнения космоса являлись случайные или запланированные взрывы ракетоносителей и спутников. Вначале освоения космоса все военные спутники из-за режима секретности взрывались. Так в 1964-1985 г.г. в результате преднамеренных взрывов 34 спутников образовалось более 2 000 фрагментов, а в 1986 г. непредвиденно взорвалась ракета «Ариан» (Франция)-возникло более 3000 фрагментов. Около 50% существующих космических осколков образовалось в результате взрывов космических объектов из-за режима повышенной секретности.
За 43 года космической деятельности человека на разные околоземные орбиты и в далёкий космос было запущено более 20 тыс. объектов (космических аппаратов) общей массой свыше 3 тыс. т. Наблюдаемое распределение космического мусора в околоземном пространстве показано на рис. 3
Число объектов на орбите
10000г
Год/месяц
Рис. 3. Увеличение содержания мусора в околоземном пространстве.
1 – общее число объектов, включая не занесённые в официальные каталоги (порядка 9500);
2 – общее число объектов, занесённых в каталоги;
3 – фрагменты космического мусора;
4 – космические аппараты;
5 – верхние ступени ракет;
6 – эксплуатационный мусор.
Основным источником некаталогизированных объектов являются разрушения космических аппаратов и ракет носителей вследствие взрывов или высокоскоростных столкновений. При этом, чем меньше размер фрагмента, тем большее количество обломков такого размера образуется. Следовательно, наблюдаемые обломки составляют лишь очень небольшую часть общего числа частиц, находящихся в околоземном пространстве. Это данные из доклада о космическом мусоре, подготовленный научно – техническим подкомитетом Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях. Нью – Йорк, 1999 г.
Раньше всех на проблему антропогенного загрязнения околоземного космоса обратило внимание Национальное космическое агентство США (НАСА) и отнеслось к ней очень серьёзно. Система контроля космического пространства в США обеспечивает информацией правительственные и иные учреждения, что позволяет этой системе активно развиваться и совершенствоваться, оснащаться большими оптическими телескопами и радарами. В последние годы в США была создана специальная служба космического наблюдения за космическим мусором (НОРАД).
По данным североамериканской службы космического наблюдения (НОРАД), сейчас в ближнем космосе кружатся в долговременном хороводе более 7500 искусственных объектов, превышающих размерами банку из под пива. Из них лишь 5% действующие аппараты. Остальное - космический мусор. Это более1600 вышедших из строя спутников, а так же более 5500 различных фрагментов: ступени ракет, обломки, осколки, различные детали; есть да же один молоток, потерянный в 1984 г. американским астронавтом, работавшим в грузовом отсеке космического корабля в открытом космосе. Мелочевки же (мелкие осколки взорванных спутников, болты, гайки, стержни и т.п.) на околоземных орбитах - несметное количество. Среди них есть даже предметы снаряжения космонавтов: перчатки, различные инструменты (среди них и упомянутый молоток), фотокамера, «часть площадки для закрепления ног», которую случайно уронил в космос американский астронавт Джим Восс и т.п. 14 марта 2001 г. Discovery и МКС пришлось прибегнуть к экстренному маневрированию, чтобы избежать столкновения с космическим мусором. Им оказался инструмент, оставленный в космосе астронавтом Джимом Воссом во время работы в открытом космосе. По мнению специалистов NASA в результате столкновения с этим предметом в корпусе корабля или станции могло появиться сквозное отверстие, что привело бы к гибели космических объектов.
Рис. 4. Схематическое распределение космического мусора в непосредственной близости от Земли (данные Научной корпорации КАМАН, США, 1995 г.).
Видны два пояса уплотнения космического мусора: один на высотах 850 – 1200 км над поверхностью Земли, другой на высоте около 38500 км.
На высотах 850 – 1200 км летают метеорологические спутники и спутники дистанционного зондирования Земли, а также большая часть спутников с ядерными энергетическими установками. Последние на этих высотах могут существовать сотни лет до полного исчезновения радиационной опасности. Случаи досрочного разрушения возможны вследствие соударения с частицами размером меньше 0,1 см, летящей со встречной скоростью порядка 15 км/с.
Геостационарная орбита плотно заселена объектами космической индустрии – спутниками – стационарами. А настоящее время там находится около 800 объектов. Ежегодно к ним прибавляется два – три десятка новых стационаров и значительное количество обломков разрушившихся по разным причинам спутников. Общепринятые меры против преднамеренных взрывов верхних ступеней или увода с орбиты отработавших спутников пока не созданы. Спутники – геостационары, кроме всего прочего, могут быть подвержены бомбардировке со стороны естественных небесных тел – от микрометеоритов до болидов. Проблема воздействия естественных небесных тел на геостационарные спутники исследуется особо сотрудниками Института астрономии РАН в рамках общей международной проблемы «Космический мусор» («Space Debris»).
В ближней части околоземного пространства, на высотах ниже 400 км, то есть в области полёта пилотируемых аппаратов, также имеется большое количество космического мусора, но эти объекты сравнительно недолговечны: через несколько лет после образования они сгорают в атмосфере Земли. Периодическое самоочищение низких орбит за счёт трения объекта об атмосферу вызвано тем, что эффект трения приводит к вековому изменению большой полуоси орбиты объекта, постепенно уменьшая её, пока объект не войдёт в плотные слои атмосферы и не сгорит в ней. Правда, в ряде случаев остатки крупных обломков спутников и верхних ступеней ракет падают на поверхность Земли.
Считалось, что на геостационарной орбите подобного механизма самоочищения не существует. Однако выполненные в Институте астрономии РАН исследования показали, что и на геостационарной орбите существует механизм самоочищения, но он значительно слабее.
В докладе, представленном Комитету по использованию космического пространства в мирных целях, подчеркнуто, что в ближнем космосе находится свыше 7500 техногенных тел размером более 10 см, свыше 20 000 – размером от 1 до 10 см и более 3500000 тел размером от 0,1 до 1см. Таким образом в настоящее время в околоземном космическом пространстве находятся более 4 000 000 техногенных тел, опасных для космических аппаратов. К 2010 г. на орбитах высотой менее 5500 км, по прогнозам НАСА, может скопится около 6 000 000 кг мусора (они заинтересованы из-за коммерческих целей занижать опасность космического мусора), а по данным же Совета Национальной безопасности США около 12 000 000 кг мусора (они заинтересованы в завышении опасности космического мусора, с целью получения дополнительного финансирования данной проблемы). По данным Росавиакосмоса (Россия) в ближнем космосе будет порядка 8 000 000 кг мусора, что наиболее реально.
Столкновения элементов космического мусора друг с другом приводит к образованию новых осколков. За последние 10 лет среднее число таких столкновений находится на уровне двух в год, причем число это за счет повторных столкновений должно расти, если даже запуски новых космических объектов прекратятся вовсе. Беспорядочные столкновения фрагментов космического мусора могут привести к лавинообразному процессу вторичных столкновений. Критическая масса для начала такой цепной реакции (так называемый эффект Кесслера) оценивается величиной, в три раза большей, чем существующая в настоящее время. По данным НАСА, этот критический момент (если не принимать никаких мер по очистке космоса) может наступить в середине XXI века. Д Кесслер утверждает, что космические полеты к ближайшим нашим соседям по космосу: Луне, Венере, Марсу и т.д. будут невозможны уже через 20-30 лет, поскольку космические аппараты будут или серьезно повреждены при проходе сферы ближнего космоса или полностью выйдут из строя в результате их разгерметизации ударом техногенных осколков (одиночных или еще более опасных - групповых). Орбиты космических кораблей, проходящие на высотах менее 1000км, так же станут небезопасны, а посылать космонавтов на более высокие орбиты не представляется возможным из-за вредного воздействия радиационных поясов и экономической нецелесообразности.
Плотность земной атмосферы с ростом высоты уменьшается примерно по экспоненциальному закону. На высотах 200 км и более она уже очень мала. Однако все же не настолько, чтобы можно было не принимать в расчет силу сопротивления, которая вызывает постепенное снижение космических аппаратов, относящихся к классу пассивных (не имеющих дополнительных двигателей для маневра или с отсутствующими или прекратившими работу системами коррекции). С течением времени спутник входит в плотные слои атмосферы (на высоте около 100 км), где он либо полностью сгорает, либо некоторые его части долетают до поверхности Земли. Так происходит естественное самоочищение космического пространства. Скорость такого процесса связана со временем существования спутника, т. е. его спуска с высоты исходной орбиты до поверхности Земли или до высоты сгорания в плотных слоях атмосферы. Время существования спутника приблизительно пропорционально величине m(Cx S), где m-масса спутника, Cx коэффициент аэродинамического сопротивления спутника, S-площадь поперечного сечения спутника. По сделанным оценкам, это время составляет; для спутников с высотой орбиты 400 км - менее года, для спутников с высотой орбиты 1000 км- от нескольких десятков до сотен лет ( в зависимости от их массы). Ясно, что самоочищение космоса от загрязняющих его фрагментов на орбитах порядка 1000 км происходит крайне медленно.
Особое место занимает геостационарная орбита (высота 35900 км) – она широко используется всеми космическими державами для военных спутников и спутников связи и т.п. Космический аппарат на такой высоте вращается с угловой скоростью вращения Земли и он неподвижно висит над определенной точкой Земли, что чрезвычайно удобно за наблюдением территории вероятного противника и т.д. Засоренность стационарной орбиты является предметом особого внимания Международного союза по радиосвязи, Европейского космического агентства и НАСА