Загрязнение космоса

А.М.Микиша, Л.В.Рыхлова, М.А.Смирнов

Институт астрономии РАН

(статья из журнала "Вестник Российской Академии наук", том 71, N1, 2001, стр.26-31, печатается с сокращениями)


В 1957 г., когда запустили первый искусственный спутник Земли, ученые только приблизительно знали его орбиту. Группы наблюдателей выезжали на то место, где он предположительно должен быть виден. Каждому выделяли свой участок неба. И ждали, пока кто-нибудь увидит спутник. Так выясняли, по каким местам на небе и над какими районами на Земле он пролетал, и по этим данным определяли орбиту спутника с очень низкой, конечно, точностью. В последующие годы происходили запуски новых спутников, а к тем, которые уже перестали передавать сигналы на Землю, интерес терялся, и очень скоро никто не знал, по какой орбите они летают. Помимо спутников, в ближнем космосе оказывались и верхние ступени ракет-носителей, и их орбиты никто не изучал. В 1961 г. произошел первый взрыв ступени ракеты-носителя спутника США серии "Транзит", а в 1964 г. - первый целенаправленный взрыв (по команде с Земли) советского спутника "Космос-50". Начался рост числа "рукотворных", но уже никому не нужных предметов на околоземных орбитах. На первых порах эти события не волновали ни ученых, ни проектировщиков космической техники, ни общественность.

Всерьез о проблеме загрязнения космоса заговорили лишь в 80-е годы, так как сложившееся положение в околоземном пространстве начало представлять угрозу для окружающей среды, для пилотируемой космонавтики, для долговременных спутников и космических аппаратов, наконец, просто для населения Земли. Нам пока "везло": в 1978 г. спутник "Космос-954" упал в таежной части Северной Канады, годом позже обломки американской космической станции "Скайлэб" рассыпались над пустынными районами Австралии, а в ходе неудачного запуска навигационного спутника США с ядерными источниками энергии в 1964 г. радиоактивные материалы рассеялись над Индийским океаном. Сейчас актуальность проблемы загрязнения околоземного космоса признана многими международными организациями, в том числе Международным астрономическим союзом, КОСПАР и другими. На протяжении последних лет эта проблема в приоритетном порядке обсуждается на ежегодных сессиях Комитета ООН по мирному использованию космического пространства и его подкомитетов - научно-технического и юридического.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Появление нового типа небесных объектов искусственного происхождения астрономы осознают теперь как специфическую область астрономии, которая является промежуточной между метеорной астрономией, исследующей вещество Солнечной системы вблизи и внутри атмосферы Земли, и планетной астрономией, изучающей вещество Солнечной системы за пределами так называемой сферы действия Земли. Первые шаги в систематическом слежении за объектами, находящимися в околоземном космосе, были предприняты военными в СССР и США в рамках задач противоракетной и противокосмической обороны. В обеих странах были созданы системы контроля околоземного пространства, оснащенные радарами дальнего обнаружения и оптическими инструментами. Задачи служб контроля состоят в обнаружении, сопровождении, получении координатной информаций и изображений объектов, их идентификации, анализе и отображении космической обстановки. Всего службами контроля космоса зафиксировано и непрерывно отслеживается сейчас чуть более 10 тыс. объектов, находящихся на околоземных орбитах. Это в основном довольно крупные тела размером более 10 см. Около 8 тыс. объектов занесены в официальные каталоги. Действующие спутники (примерно 500) составляют лишь незначительную часть общего числа каталогизированных объектов на околоземных орбитах.

Появилось абсолютно новое понятие - космический мусор. Оно объединяет спутники, исчерпавшие свои энергетические ресурсы, верхние ступени ракет-носителей, различные детали, сопутствующие запуску, и многое другое, что уже никогда не принесет никакой пользы человечеству, но вполне может остаться практически навечно в околоземном пространстве. За 43 года космической деятельности человека на разные околоземные орбиты и в далекий космос было запущено более 20 тыс. объектов общей массой свыше 3 тыс. т. Наблюдаемое распределение космического мусора в околоземном пространстве показано на рис. 1.


Рис. 1. Увеличение содержания мусора в околоземном космическом пространстве. 1 - общее число объектов, включая не занесенные в официальные каталоги; 2 - общее число объектов, занесенных в каталоги; 3 - фрагменты космического мусора; 4 - космические аппараты; 5 - верхние ступени ракет; 6 - эксплуатационный мусор.
(Технический доклад о космическом мусоре, подготовленный научно-техническим подкомитетом Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях. Нью-Йорк, 1999)

Раньше всех на проблему антропогенного загрязнения околоземного космоса обратило внимание Национальное космическое агентство США (НАСА) и отнеслось к ней очень серьезно. Система контроля космического пространства в США обеспечивает информацией правительственные и иные учреждения, что позволяет этой системе активно развиваться и совершенствоваться, оснащаться большими оптическими телескопами. К примеру, комплекс наблюдения за космосом на острове Мауи (Гавайи) имеет телескопы, диаметры зеркал которых 1.2 и 1.6 м, с проницающей способностью до 18-й звездной величины. В 1999 г. на

Гавайях введен в эксплуатацию телескоп с зеркалом диаметром 3.7 м, оборудованный самым современным приемником излучения. В 2000 г. началась эксплуатация модернизированной станции американской системы слежения за космосом в контейнерном исполнении, которую можно быстро развернуть в нужном месте. Проницающая способность телескопа превышает 20-ю звездную величину. Такому оборудованию могут позавидовать профессиональные астрономы.

ПОДРОБНЕЕ О КОСМИЧЕСКОМ МУСОРЕ

Отслеживаемые телескопами и радарами служб контроля и занесенные в каталоги объекты имеют минимальные размеры 10-30 см для низких орбит (высоты орбит от 200 до 2000 км) и около 1 м на геостационарной орбите (высота круговой экваториальной орбиты около 35 800 км).

Число объектов размером 1-10 см можно оценить лишь статистически (это примерно 70000 - 150000 объектов), поскольку они не наблюдаются ни телескопами, ни радарами, и не могут поэтому быть занесены ни в какие каталоги. Количество частиц, имеющих размеры менее 1 см, оценивается в несколько миллионов. Количество объектов микронного и меньшего размера, газовой и пылевой фракций - порядка 1013-1014. Столкновение любого фрагмента размером более 1 см с действующим спутником опасно для последнего из-за большой кинетической энергии осколка и может стать причиной прекращения его функциональной деятельности (это еще не самое худшее последствие, если учесть, что на спутнике может находиться ядерный реактор).

Для оценки реального риска столкновения действующих спутников с фрагментами космического мусора необходимо учитывать и некаталогизированные объекты, что подразумевает знание их пространственного распределения. Для получения такой информации в настоящее время существует единственный путь - моделирование некаталогизированных популяций. Такие модели созданы в ведущих космических странах - в США, государствах Западной Европы и в России.

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.

Наиболее засорены, конечно же, часто используемые области околоземных орбит: на высотах 850-1200 км и в зоне геостационарных орбит. Здесь же концентрируется и космический мусор (рис. 2). На высотах 850-1200 км летают метеорологические спутники и спутники дистанционного зондирования Земли, а также большая часть спутников с ядерными энергетическими устройствами. Последние на этих высотах могут существовать сотни лет до полного исчезновения радиационной опасности. Случаи досрочного разрушения возможны вследствие соударения с частицей размером меньше 0.1 см, летящей со скоростью пули -10 км/с.


Рис. 2. Схематическое распределение космического мусора в непосредственной близости от Земли (данные Научной корпорации КАМАН, США, 1995). Видны два пояса уплотнения космического мусора: один на высотах 850-1200 км над поверхностью Земли, другой на высоте около 38500 км

Геостационарная орбита плотно заселена объектами космической индустрии - спутниками- стационарами. В 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 сотрудниками Института астрономии РАН в рамках общей проблемы "Космический мусор" ("Space Debris").

В ближней части околоземного пространства, на высотах ниже 400 км, то есть в области полета 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 счет трения объекта об атмосферу вызвано тем, что эффект трения приводит к вековому изменению большой полуоси орбиты объекта, постепенно уменьшая ее, пока объект не войдет в плотные слои атмосферы и не сгорит в ней. Правда, в ряде случаев обломки спутников и верхних ступеней ракет падают на поверхность Земли.

Считалось, что на геостационарной орбите подобного механизма самоочищения не существует. Однако выполненный в Институте астрономии РАН цикл работ, посвященных изучению долговременной эволюции высокоорбитальных космических объектов под действием светового давления, в корне изменил это мнение. Дело в том, что из-за наличия реактивной силы, возникающей от переизлученного солнечного света поверхностью спутника или иного объекта, появляется сила давления, которая в случае асимметрии поля рассеяния его поверхностью (а это наблюдается практически у всех спутников и фрагментов космического мусора) вызывает долгопериодические и вековые изменения в большой полуоси, наклоне и эксцентриситете орбиты. Таким образом, можно утверждать, что и на геостационарной орбите существует механизм самоочищения.

СТОЛКНОВЕНИЯ И ВЗРЫВЫ НА ОРБИТАХ

24 июля 1996 г. на высоте примерно 660 км произошло первое столкновение французского спутника CERISE, запущенного в июле 1995 г. на солнечно-синхронную орбиту, с наблюдаемым фрагментом третьей ступени французской же ракеты "Ариан", вышедшей на орбиту в 1986 г. Относительная скорость во время столкновения была около 15 км/с, или около 50 000 км/ч. Впервые - через 39 лет с начала космической деятельности человека - проблема столкновений в космосе перестала быть абстрактной.

Как естественные небесные тела, так и обломки разрушающихся искусственных объектов требуют своей службы обнаружения. Разрушаются спутники, находящиеся на орбитах более 20 лет после запуска, давно исчерпавшие свои энергетические ресурсы и попавшие в разряд космического мусора (серии "Транзит", NOAA, "Космосы", верхние ступени "Востоков"). Разные спутники дают разное количество наблюдаемых обломков (от 6 до 50 и более). Некоторые крупные части занесены в каталоги под отдельными номерами.

Загрязненность околоземного космоса растет с увеличением мощи используемых для запуска ракет. Взрывы вторых ступеней семи ракет "Дельта" (из-за наличия остатков топлива и сложившихся условий перегрева) добавили более 1300 наблюдаемых и каталогизированных фрагментов. Та же причина приводила к взрывам в 90-х годах верхних ступеней ракет "Титан", "Космос", "Протон", "Зенит", "Рокот", "Пегас". Мы отметили выше, что спутники, находящиеся на геостационарной орбите, особенно подвержены бомбардировке со стороны естественных небесных объектов.

Несколько космических проектов было осуществлено, чтобы понять, насколько опасно существование космического мусора на низких орбитах в зоне пилотируемой космонавтики. В частности, с февраля по апрель 1990 г. на поверхности специальной платформы общей площадью 130 м2, установленной на спутнике, было зафиксировано более 35 тыс. ударов частиц крупнее 0.5 мм. Анализ показал, что "кратеры" были следствием соударения с частицами как искусственного (в том числе и от ядерных реакторов), так и естественного происхождения. Что касается падения на Землю больших кусков космического мусора (более 1 м2 в сечении), то в среднем они падают на ее поверхность не реже одного раза в неделю. К сожалению, возможностей точного предсказания времени и места их падения пока не существует.

Исследования, проведенные в последние годы в Институте астрономии РАН и НАСА, привели к выводу, что более 40% космического мусора, находящегося на низких околоземных орбитах, - это осколки, образовавшиеся в результате взрывов вторых ступеней ракет и спутников на орбитах. А что происходит с теми спутниками, которые располагаются на геостационарных орбитах?

Положение геостационарных спутников, находящихся в режиме эксплуатации, все время корректируется, поэтому эти спутники (их называют "активными") имеют сравнительно малые относительные скорости - менее 5 м/с. Орбиты утративших свою активную деятельность (их называют "пассивными") спутников начинают эволюционировать по законам небесной механики: плоскость орбиты прецессирует с периодом 52 года и амплитудой около 150. При этом относительные скорости двух спутников могут достигать 1 км/с.

На геостационарную орбиту спутники запускают с 1963 г., а уже через год некоторые из них перестают быть активными и их орбиты начинают эволюционировать. Это привело к тому, что в 90-х годах плоскости их орбит вновь сблизились с геостационарной орбитой, а в первые десятилетия XXI в. этот процесс станет массовым. Появится дополнительная опасность столкновений функционирующих объектов с отработавшими свой срок и как результат этого - образование массы новых фрагментов космического мусора. Поэтому необходимо держать под контролем все спутники и их перемещения на геостационарной орбите.

Такой контроль можно осуществить с помощью больших фотографических камер с широким полем зрения. В течение одной ночи они позволяют проконтролировать всю область геостационарной орбиты, видимую со станции наблюдения. Самая большая камера подобного типа, работающая в Институте астрономии РАН (Звенигородская обсерватория под Москвой), может охватить область около 1000 по долготе и обнаружить все геостационарные объекты размером более 1 м. Фотографирование с большим перекрытием исключает возможность пропуска объектов, вызываемого их видимым перемещением, что вполне вероятно при обзоре такой большой зоны дискретными участками.

Есть основания считать, что столкновения и взрывы спутников на геостационарной орбите происходят столь же часто, как и на низкой орбите, но поиск и изучение осколков на геостационарной орбите представляет собой особую проблему. Первым шагом в ее решении является установление факта взрыва. Наблюдениями твердо установлены три факта взрывов на геостационарной орбите. Однако эти же события можно выявить и по косвенным признакам: по внезапным изменениям элементов орбит спутников или скорости дрейфа наблюдаемого объекта. В Институте астрономии РАН проводилось сравнение значений большой полуоси орбит ракет-носителей на геостационарной орбите в момент запуска с их значениями в более поздние моменты времени. Всего было проанализировано около сотни орбит, из которых 19 показали значимые изменения большой полуоси (рис. 3). По-видимому, эти объекты претерпели взрыв или разрушение.


Рис. 3. Изменение большой полуоси орбиты геостационарных искусственных спутников Земли "Транс-тэйдж-13" (а) и "Горизонт-21" (б)

Считая, что количество образующихся при взрывах обломков примерно такое же, как и на низких орбитах (порядка 100 размером более 10 см), получаем, что число таких фрагментов превышает 2000. Между тем на геостационарной орбите закаталогизировано всего около 800 объектов.

ЗАДАЧИ ОКОЛОЗЕМНОЙ АСТРОНОМИИ

Наблюдение, каталогизация, моделирование ситуации на разных высотах околоземного пространства с учетом прохождения Земли через многочисленные метеорные потоки и мониторинг наиболее опасных направлений прихода в околоземное пространство естественных космических объектов - это новые проблемы околоземной астрономии.

Одной из важнейших задач ближайшего будущего должен стать контроль за функционированием действующих аппаратов в космосе: определение формы, ориентации и других характеристик запущенных аппаратов с целью распознавания их назначения и разработка механизма контроля за мирным использованием космического пространства.

Практически задача определения формы и ориентации космических объектов решается на основе длинных рядов фотометрических наблюдений. Зная все характеристики поля рассеяния исследуемого объекта, можно установить его форму с той степенью детализации, которая допускается фотометрической точностью. Это весьма трудоемкая работа, требующая длительных наблюдений в течение всего периода видимости объекта на протяжении нескольких ночей. Решение таких задач - яркий пример возможностей использования оптических координатно- фотометрических наблюдений спутников.

Для наблюдений фрагментов космического мусора на геостационарной орбите предложены проекты специализированных спутников и проекты специальной аппаратуры, устанавливаемой на спутнике в качестве дополнительной нагрузки. Например, на российском геостационарном спутнике связи "Экспресс-2", запущенном в сентябре 1996 г., установлен прибор GORID (Geostationary Impact Detector), созданный специалистами Европейского космического агентства для изучения мелких фрагментов космического мусора и мелкой компоненты межпланетной пыли. В настоящее время в Институте космических исследований РАН разрабатывается небольшой охлаждаемый телескоп для исследования космического мусора, который может быть размещен на геостационарном спутнике. Такой инструмент может обнаружить астероиды, сближающиеся с Землей, а также метеороиды, болиды и "мини-кометы" (последние, по данным спутника "Полар", регистрируются в атмосфере Земли до десятков в минуту).

Эволюция "мусорного" окружения Земли не может быть точно предсказана из-за постоянно растущего числа пользователей (включая коммерческие запуски), появления новых технологий запусков малых спутников и "созвездий" коммуникационных спутников (типа "Иридиум"), наконец, неопределенности будущих взрывов и столкновений всех этих объектов на орбитах. Число и размеры фрагментов, возникающих в результате столкновения двух объектов, зависят от разных факторов: массы сталкивающихся объектов, их скорости и проч.

Из-за огромного количества находящихся в околоземном пространстве частиц различного происхождения не может быть и речи об их полном и постоянном отслеживании. Поэтому актуальными направлениями дальнейшего исследования загрязнения околоземного пространства являются:

- совершенствование методики моделирования мелких фрагментов космического мусора на основе специальных экспериментов и согласования параметров моделей с экспериментальными данными;

- изучение общих закономерностей процесса миграции вещества в Солнечной системе, источников пополнения семейства объектов, сближающихся с Землей, выявление и каталогизация таких объектов;

- проведение наблюдений представительных выборок объектов искусственного и естественного происхождения, населяющих околоземное пространство, уделяя особое внимание исследованию взорвавшихся объектов;

- осуществление по фотометрическим данным выборочного контроля за отдельными объектами.

Первыми заметили неумолимые признаки, свидетельствующие о чрезмерной эксплуатации космоса, астрономы. Не случайно в 1999 г. Международный астрономический союз и КОСПАР организовали симпозиум на тему "Сохранность астрономического неба" ("Preserving the Astronomical Sky"). Но завтра последствия чрезмерной эксплуатации космоса затронут и других его "пользователей", а затем и всех людей на Земле.

Цитируется по http://www.ibmh.msk.su/





vlad@ssl.nsu.ru