6.3.5. Загрязнение околоземного космического пространства

Эксплуатация ракетно-космической техники оказывает воздействие на все компоненты окружающей среды — поверхность Земли, все слои атмосферы, включая озоновый слой и околоземное космическое пространство (ОКП).

ОКП представляет собой внешнюю газовую оболочку, окружающую Землю. ОКП защищает все живое от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца; оно играет важную роль в сложных солнечно-земных взаимосвязях, от которых зависят условия жизни на Земле.

В настоящее время механизмы влияния ОКП на биосферу и человека мало изучены. Антропогенные воздействия на ОКП связаны с началом космической эры, насчитывающей всего несколько десятилетий. Однако специалисты полагают, что вмешательство человека в эту среду весьма опасно, и уже сейчас антропогенное воздействие оказалось существенно выше уровня более продолжительного влияния человека на любую другую природную среду (приземную атмосферу, гидро- и литосферу).

Особенность исследований в области ОКП обусловлена тем, что они требуют использования мощных и дорогостоящих технических средств — космических ракет. Эта среда является более уязвимой, по сравнению с другими средами, так как количество вещества в ОКП значительно меньше энергетика процессов гораздо слабее, чем в приземной атмосфере, а тем более гидро- и литосфере. Эти два главных обстоятельства определяют опасность антропогенного воздействия на ОКП. Кроме угрозы изменений этой природной среды есть и другие негативные последствия деятельности человека в космосе. К настоящему времени бесконтрольное использование ОКП привело к его загрязнению.

116

117

огромным количеством (более 3000 т) мусора, состоящего из фрагмен­тов используемых технических средств. Опасность этого мусора уже начали осознавать специалисты в области космических аппаратов, поскольку столкновение с ним в космосе стало реальной угрозой. Фрагменты кос­мического мусора накапливаются на высотах более 400 км; они занесе­ны в соответствующий каталог и за ними ведется постоянное слежение. Сейчас в ОКП находится (по данным из разных источников) от 6 до 8 тыс. каталогизированных объектов искусственного происхождения раз­мером более 10 см, наблюдаемых с Земли.

Более половины каталогизированных объектов в ОКП являются следствием взрывов космических аппаратов и ступеней ракет-носителей.

Существует, однако, большое количество мелких осколков (менее 10 см), поток которых на много порядков превышает поток естественных метеорных тел. Это десятки тысяч фрагментов менее 10 см и сотни тысяч более мелких (менее 1 см) осколков «космического мусора». Согласно прогнозам, при нынешних темпах загрязнения суммарное количество твердых частиц размером более 1 см вырастет за 100 лет более чем в 2 раза.

Знание свойств ОКП необходимо для обеспечения надежной рабо­ты космических систем и безопасности космонавтов.

Выделяют следующие виды воздействия человека на ОКП:

выброс химических веществ в результате работы ракетных двигате­лей;

энергетические и динамические возмущения вследствие полетов ракет;

загрязнение твердыми фрагментами, космическим мусором (отрабо­тавшими спутниками, элементами стыковочных узлов, разгонными бло­ками и т.п.);

электромагнитное излучение радиопередающих и других промышлен­ных систем;

проникновение загрязняющих веществ из приземной атмосферы;

радиоактивное загрязнение и жесткое излучение от ядерных энерге­тических установок, используемых на космических аппаратах.

Наиболее опасным, с точки зрения изменения свойств ОКП, счи­тают выброс химических веществ. В основном, это газообразные продук­ты, имеющие высокую температуру и скорость вблизи сопла ракеты, по­этому происходит быстрое гидродинамическое расширение массы выбра­сываемого газа с его последующим охлаждением до уравнивания темпе­ратуры с окружающей средой. Вследствие этих процессов в верхней атмос­фере вдоль всей траектории полета ракеты формируется газовое облако сложного химического состава, компоненты которого взаимодействуют с компонентами верхней атмосферы и ионосферы. Основные продукты выброса ракет — вода и диоксид углерода. В результате пролета одной ракеты «Протон» в ОКП поступает примерно 100 т воды и более 90 т диоксида углерода. Для «Шаттла» эти показатели составляют 470 и 110 т соответственно.

На высоте более 90-100 км молекулы воды диссоциируют под действием ультрафиолетового излучения с образованием атомарного водорода. Выброшенный газ расширяется, претерпевает ряд превращений и распространяется на расстояния от сотен до десятков тысяч километров, Ключевым моментом является процесс диффузионного расплывания — водорода. Расчеты показали, что даже через 10 суток после пролета ракеты «Протон» в верхней атмосфере сохраняется избыток антропогенного водорода. При пролете ракеты «Шаттл» в случае ее регулярных пусков с интервалом 10 сут происходит стационарное глобальное увеличение концентрации водорода, превышающее фоновые уровни на десятки процентов на высоте более 200 км.

Молекулы воды и диоксида углерода, которые выбрасываются в вер­хнюю атмосферу при работе ракетных двигателей, активно взаимодействуют ионами кислорода ионосферы, причем их преобразование про­ходит гораздо быстрее, чем в естественных условиях. Вследствие этого резко возрастает скорость рекомбинации ионосферной плазмы и падает концентрация заряженных частиц (образуются так называемые ионосферные дыры). Наиболее крупномасштабные нарушения были обнаружены после запуска ракет «Сатурн-5»: горизонтальные размеры дыры составили тысячи километров, а концентрация электронов уменьшалась в них в несколько раз. Первоначально ионосферные дыры образовались над территорией США, а позже были обнаружены над Западной Европой и территорией бывшего СССР. Позднее аналогичные изменения были зарегистрированы также в результате полетов «Шаттла» и «Союза».

Диоксид углерода, который распространяется на сотни километров: от траектории ракеты, как известно, играет важнейшую роль в тепловом балансе термосферы. Можно сказать, что этот баланс устанавливается в результате нагрева ультрафиолетовым излучением и охлаждения инфракрасным излучением, значительная часть которого обусловлена молекула диоксида углерода. Хотя все возможные последствия изменений концентрации диоксида углерода под влиянием антропогенного воздействия трудно прогнозировать, совершенно ясно, что естественные процессы в термосфере будут нарушены.

Исследование влияния полетов ракет на озоновый слой показало, что при ежемесячных пусках «Шаттла» (что примерно соответствует существующему сейчас режиму) в течение 4-х лет общее содержание озона снизится на 0,3% для средних широт и на 0,4-0,6% — для высоких. Запуски ракет «Шаттл» и «Энергия» могут вызвать глобальное уменьшение озона, сравнимое с долголетними изменениями.

Что касается антропогенного выделения энергии, то полагают, что мощность антропогенного источника составляет примерно 10% от естественного; оно не должно вызывать резкой перестройки динамики верхней атмосферы. Радиоактивное загрязнение ОКП, возникающее вследствие использования ядерных энергетических установок на космических аппаратах, также пока не представляет угрозы для этой среды. Тем не менее

118

119

нее будет неизбежно происходить осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на поверхность Зем­ли.

Специалисты считают, что сохранение ОКП как внешней защитной оболочки Земли возможно только при ограничении числа пусков ракет и принципиального изменения технических средств и методов выведения космических аппаратов на орбиту.

В число мер по снижению техногенного воздействия на ОКП входят:

полный отказ от санкционированного подрыва отработавших косми­ческих аппаратов на орбите;

оптимизация схем выведения на орбиту космических аппаратов с ис­пользованием промежуточных орбит, снижающих негативные послед­ствия запуска;

повышение сроков активного существования и точности стабилиза­ ции космических аппаратов; .

перевод отработавших космических аппаратов на орбиты «захороне­ния», расположенные выше области геостационара и др.

Есть основания считать, что в противном случае ОКП может ока­заться полностью разрушенным.