вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №6




Экология


Проблемы
космического мусора



Л. В. РЫХЛОВА,
доктор физико-математических наук
зав. отделом Института астрономии РАН


Веками Космос представлялся человеку далеким от земной суеты. 35 лет назад на небе появились «рукотворные звезды» — искусственные спутники Земли, — предмет гордости, гимн человеческому разуму и рукам, творящим чудо. И только сейчас, через 35 лет после начала космической эры, мы начинаем понимать, что земная цивилизация должна рассматривать себя в единстве с окружающим космосом, не оставаясь безразличной к происходящим в нем изменениям, соизмеряя свои действия с долговременными интересами человечества и не допуская ничего, что было бы опасно для обитателей Земли. Человек XX в. уже не только исследует, но и вторгается во Вселенную. Он обязан помнить, что иногда даже самый слабый начальный толчок может спровоцировать процесс, способный в дальнейшем развиваться самостоятельно, становясь необратимым и неуправляемым, вовлекая все новые массы вещества и энергии.

ЧТО ТАКОЕ ОКОЛОЗЕМНЫЙ КОСМОС?

С точки зрения геофизики, околоземное космическое пространство — это несколько защитных оболочек Земли. Главные из них — верхняя атмосфера (до высоты 1000 км), защищающая все живое от коротковолнового излучения Солнца, и магнитосфера, спасающая Землю от потоков корпускулярного солнечного ветра.

С точки зрения астрономии — это пространство, практически свободное от объектов, интересующих астрономов. При движении вокруг Солнца Земля проходит сквозь потоки метеорных тел, являющихся частью межпланетной среды. Их природа сравнительно хорошо изучена. Они очень похожи на гранулы песка, имеют средний удельный вес 0,5 г/см3 и среднюю скорость 20 км/с. Если пренебречь сезонными вариациями, то количество метеорных тел, вторгающихся в околоземное пространство, более или менее постоянно, и общая масса их составляет около 200 кг (на высотах 2000 км от поверхности Земли). Большая часть этой массы заключена в частицах размером около 0,01 см в поперечнике.

С точки зрения аэрокосмической службы, околоземное космическое пространство — это несколько орбитальных режимов для запусков искусственных объектов, предпочтительных с разных точек зрения.

Принято считать низкими орбиты со средней высотой, меньше 5875 км. На этих орбитах спутники имеют периоды обращения вокруг Земли меньше 225 мин. Высокие орбиты (средняя высота больше 5875 км) определяются спутниками с периодами обращения вокруг Земли, равными или превышающими 225 мин. Переходные орбиты — это орбиты с высоким апогеем и низким перигеем для вывода объекта на геостационарную орбиту. Наконец, геостационарная орбита — уникальная область околоземного пространства. Идеальная геостационарная орбита имеет радиус 42164 км (т. е. средняя высота геостационарного спутника равна 35785 км) и лежит в экваториальной плоскости. Направление движения спутника, находящегося на этой орбите, совпадает с направлением вращения Земли, и полный оборот спутник совершает за 23ч56м4с (1436 мин). Спутник, находящийся на такой орбите, неподвижно висит над определенной (по долготе) точкой экватора. Геосинхронная орбита, как и геостационарная, определяется спутниками с периодом обращения 1436 мин, но в отличие от геостационарной может иметь любое наклонение. Спутник на такой орбите описывает на небе видимую «восьмерку» в течение 24 ч, центр этой фигуры находится над экватором на высоте 35785 км.


Искусственные космические объекты сосредоточены преимущественно в трех областях: на орбитах до 5 тыс. км, около 20 тыс. км и 35 тыс. км

Самое большое количество запусков космических аппаратов пришлось на 1967, 1977 и 1984 гг.

За 35 лет активного освоения окружающего космического пространства в пределах двух тысяч километров над поверхностью Земли накопилось около 3 млн кг различных отходов (в 15 тыс. раз больше массы естественных метеорных тел). Огромную часть отходов составляют разрушающиеся последние ступени ракет, спутники, исчерпавшие свои энергетические ресурсы, и лишь некоторая часть (около 40 тыс. кг) приходится на функционирующие космические станции и спутники. Примерно 1000 кг — частицы с размерами от 1 см и меньше.

Такая ситуация сложилась вследствие более 3400 запусков космических аппаратов на околоземные орбиты и к другим телам Солнечной системы. Здесь не учтены еще многочисленные неудачные запуски объектов, не достигших орбитальных скоростей.

Если в конце 50 — начале 60-х гг. количество выведенных на орбиту спутников исчислялось десятками, то с середины 60-х число запусков превышало 110-120 в год (в 90-х темпы немного понизились). По имеющимся оценкам, к 2000 г. ожидается появление в околоземном космическом пространстве до 15 тыс. крупноразмерных (более 10 см) искусственных объектов и более 100 тыс. фрагментов среднего размера 1-10 см. Рост «населенности» космоса в нынешнем десятилетии будет обусловлен новыми запусками, а в следующем — основным фактором станут столкновения между элементами космического мусора и их лавинная фрагментация.

Таким образом, энтузиазм человечества в освоении космоса привел к появлению нового класса космических объектов — космического мусора, — который значительно превосходит населенность метеорами размером больше 1 см (более мелкоразмерные частицы невозможно наблюдать, а следовательно, и посчитать. Примерная оценка — их сотни тысяч).

ЧТО ПРОИСХОДИТ ПОСЛЕ ЗАПУСКА

Каждый запуск сопровождается превращением химической энергии топлива в кинетическую, которая требуется для вывода космического аппарата на орбиту. Из общей «массы» каждого «запуска» примерно 85% приходится на топливо, около 14% на систему запуска и только 1% составляет та полезная нагрузка, которая и будет служить навигационным, метеорологическим, коммуникационным и прочим целям.

Дальнейшая судьба аппаратов и деталей, сопутствующих запуску, может сложиться по-разному в зависимости от начальных условий запуска: они могут сгореть в атмосфере Земли, уйти от Земли в далекий космос или остаться на околоземной орбите.

Время активной жизни аппарата, т. е. выполнения той функции, для которой он создан и выведен на орбиту, ограничено многими причинами: могут выйти из строя механические или электронные компоненты, может не хватить энергии для поддержания той орбитальной геометрии, которая делает этот запуск целесообразным и т. п. Поэтому реальное время существования спутника на орбите оказывается в сотни раз больше, чем время его полезной работы. Из находящихся на низких орбитах около 6 тыс. объектов функционируют лишь 300. Оставшиеся 95% можно классифицировать как мусор.

Кроме того, на разных орбитах ежегодно происходят единичные взрывы отработавших частей ракет с остатками топлива. Из-за неисправности батарей, ошибок командной системы, избытка или недостатка давления в топливных баках, детонации взрываются действующие аппараты. Бывали умышленные взрывы в целях сохранения секретности или при испытании оружия. Всего за 30 лет зафиксировано 108 взрывов.


В 1961-71 гг. в среднем ежегодно происходило по 2,2 взрыва искусственных объектов в околоземном космическом пространстве, в 1971 -1984 гг. по 3,8, в последнее десятилетие по 4,5

Приведем пример, обсуждавшийся на конференции по космическому мусору (устоявшийся термин «Space Debris») в г. Орландо (штат Флорида, США,) в апреле 1993 г. представителями многих стран. Советская ракета «Протон» имеет репутацию высоконадежного средства. С ее помощью на самые разные орбиты выводились аппараты для исследования Луны, Марса, Венеры, орбитальные станции «Салют», «Мир», астрофизические обсерватории «Гранат» и «Астрон», стационарные спутники связи и навигационные спутники системы ГЛОНАСС. Всего до настоящего времени осуществлено более двухсот успешных запусков в трех— и четырехступенчатом вариантах (заметим, что последняя, четвертая ступень ракеты-носителя «Протон» имеет в диаметре 3,7 м, ее длина 6,3 м и масса 3,4 т).



За 25 лет осуществлено около двухсот успешных запусков космических аппаратов с помощью ракеты-носителя «Протон»

Впервые облако из очень крупных обломков (21 шт) было зафиксировано на переходной орбите после вывода космической обсерватории «Астрон» 23 марта 1983 г. Второй раз обломки обнаружили на высоте около 800 км после запуска спутника «Космос-1656», затем подряд в феврале и декабре 1991 г. на высоте 18 000 км после вывода двух «Космосов», принадлежащих навигационной системе ГЛОНАСС. К этому времени спутники «Космос-1519-21» и «Космос-1710-12» уже работали на орбите соответственно 7 и 6 лет. В феврале появилось около 30, в декабре — 26 наблюдаемых фрагментов. 5 сентября 1992 г. на высоте 850 км взорвался блок ракеты «Протон», выводивший на орбиту «Космос-1603». 62 фрагмента растянулись в диапазоне высот от 700 до 1100 км. 17-18 декабря 1992 г. на 100 кусков разлетелся блок, который в 1989 г. вывел на орбиту «Горизонт-17».

Подсчитано, что все шесть взрывов четвертой ступени ракеты «Протон» случились спустя 18-96 месяцев после успешного вывода на орбиту спутников. К началу 1993 г. на околоземных орбитах находится еще 70 таких блоков (и с большой вероятностью возможны и их взрывы). Эта ситуация, взволновавшая ученых, обсуждалась американскими и российскими специалистами, в результате чего оказалось возможным выяснить причины взрывов и дать рекомендации, как избежать подобного при будущих запусках (их ежегодно планируется 6-7).

Разумеется, это не единственный источник взрывов, можно привести много других примеров: взорвались топливные баки вторых ступеней ракеты-носителя «Дельта» (США), ракета-носитель «Ариан», запущенный в 1968 г. спутник США «Титан-Транстейдж» взорвался в феврале 1992 г.

СЛУЖБА КОНТРОЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

В мире существуют две Службы контроля космического пространства: в России и США. Для регулярных наблюдений за космическими объектами используются радиолокационные, оптико-электронные и радиотехнические средства.

1957-91 гг. наша страна была самым активным исследователем космического пространства

В задачи Служб входит обнаружение, слежение, каталогизация и идентификация всех искусственных небесных тел. Систематические наблюдения нужны для поддержания параметров орбиты космических объектов, для вычисления орбитальных параметров вновь запущенных объектов или потерянных ранее и т. д. Кроме того, Службы контроля занимаются анализом аварийных ситуаций, возможностей опасного сближения спутников, их маневрирования. Информационные центры Служб контроля космического пространства обрабатывают до 50 тыс. наблюдений в день. Все запущенные с 1957 г. спутники занесены в каталог, в котором кроме параметров орбиты дается информация общего характера (номер спутника, его название, страна, дата и место запуска, дата сгорания, если это произошло).

Служба США сопровождает около 7 тыс. объектов. Служба России — около 6 тыс. Следует, однако, отметить, что современные возможности Служб контроля космического пространства позволяют отслеживать объекты размерами лишь больше 10—50 см в поперечнике на низких орбитах) и около 1 м — на высоких и геостационарной орбитах. Службы контроля в США и СССР развивались автономно, каждая географически ограничена своей территорией. Потенциальные возможности взаимодействия еще только предстоит использовать.

ПРОБЛЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА

В дополнение к сотням отслеживаемых объектов, Землю окружают десятки и сотни тысяч ненаблюдаемых мелких фрагментов вплоть до пылевой и газовой фракций. Эти невидимые для наземных систем частицы достаточны, чтобы катастрофически повредить спутник. Специально поставленные на «Шаттле» эксперименты по регистрации ударов показали, что из тысяч ударов по космическому кораблю 15—50% приходится на частицы мусора. Металлический осколок размером 0,5 мм, летящий со скоростью 10 км/с, может пробить скафандр космонавта. Удар 2-миллиметровой частицы в лобовое стекло «Челленджера» потребовал замены панели остекления. Осколки в 1 см уже чрезвычайно опасны для космических комплексов.


Орбиты спутников с радиоактивными материалами

Таким образом, космический мусор опасен для пилотируемой космонавтики. Опасны и неконтролируемые взрывы. Энергетика взрывов различна, и от нее зависит количество возникающих обломков и их скорость. Пример высокоэнергетичного взрыва — взрыв 1 мая 1991 г. спутника «Nimbus-6», находившегося на орбите 16 лет. Этот взрыв породил 400 обломков с перигеем орбиты ниже 800 км и апогеем выше 4000 км. Теперь 80% всех искусственных объектов в окрестностях Земли проходит через это растекающееся облако космического мусора.

Особая категория опасности — спутники с ядерными источниками энергии. Сейчас известно 54 таких спутника, из них 31 принадлежит бывшему СССР, 7 — США и практически все они сосредоточены в диапазоне высот 800-1100 км. После прекращения активного существования ядерное топливо спутников теоретически должно «высвечиваться» до безопасного уровня, причем времени жизни пассивных спутников на таких высотах вполне достаточно для этого. Но во-первых, случаются неконтролируемые входы в атмосферу (например в 1978 г. «Космос-954» с энергетической ядерной установкой упал в канадской тайге), а во-вторых, казавшийся ранее безбрежным, космос теперь уже не гарантирует от возможных столкновений с техногенным мусором, что может породить многочисленные радиоактивные частицы. Это уже экологическая проблема в масштабах всей Земли.

В 1981 г. ООН приняла рекомендации Комитета по мирному использованию космического пространства об ограничении использования ядерных источников в космосе. Сейчас новые системы безопасности автоматически отстреливают реактор. (Как было со спутниками «Космос-1402» и «Космос-1900». В первом случае реактор полностью сгорел в атмосфере, во втором — был переведен на более высокую орбиту.) Но тем не менее опасность радиоактивного заражения верхних слоев атмосферы остается, а значит и возможен выпад радиоактивных частиц на Землю.

Следующая проблема состоит в нарушении физико-химического баланса верхней атмосферы, этой тонко сбалансированной среды, характеризующейся резким падением плотности с высотой, сложным изменением температуры, сложным химическим составом, различными вариациями всех параметров (в зависимости от времени суток, широты, уровня солнечной активности). После каждого запуска в результате работы двигателей в верхнюю атмосферу выбрасывается огромное количество химически активных веществ. Водорода и его соединений, например, может быть выброшено столько же, сколько его содержится во всей верхней атмосфере. С активных спутников в атмосферу постоянно истекают различные газы. Из-за большой скорости аппаратов молекулы газов имеют значительную кинетическую энергию, что резко увеличивает их химическую активность.


Следы искусственных космических тел на негативах пластинок

Запуски вызывают также мощные возмущения плотности и температуры атмосферы, порождая акустические волны. Наконец, в результате сгорания ракет ежегодно в земное окружение попадают миллионы частиц и тысячи килограммов аллюминиевой пыли. Последствия всех этих событий практически не исследуются. Можно упомянуть и проблемы профессиональных астрономов, которые в последние годы на фотографических пластинках обнаруживают следы рукотворных «звезд». Этот новый класс небесных объектов поставил перед астрономами много специфических задач: для одних они стали заметной помехой при наблюдениях, для других — предметом исследований.

КАК ОЧИСТИТЬ ОКОЛОЗЕМНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО?

На круговой орбите высотой в 200 км время жизни неуправляемого спутника равно нескольким дням, на орбите высотой 600 км — 25-30 годам, на высотах порядка 1000 км — двум тысячелетиям, на высотах от 2000 км и выше спутник живет практически вечно.

Эволюция орбиты спутника или элементов космического мусора и время их существования определяется в основном естественными возмущениями: гравитационным полем Земли и его несферичностью, гравитационным воздействием Луны и Солнца, давлением солнечной радиации и тормозящим действием атмосферы. Вследствие торможения объект постепенно (по спирали) входит в более плотные нижние слои атмосферы, где в конце концов из-за трения и сгорает.

Плотность атмосферы на больших высотах увеличивается (и весьма существенно) с увеличением солнечной активности. Например, в 1979-80 гг. (максимум 21-го цикла солнечной активности) плотность атмосферы на высоте около 500 км была в несколько десятков раз выше значения плотности в минимуме солнечной активности (1964-65 гг.). Число обломков тогда уменьшилось в несколько раз, а космическая станция «Скайлэб» достаточно быстро упала на Землю. Все это говорит о том, что высокая солнечная активность повышает роль тормозящего действия атмосферы как естественного «чистильщика», удаляющего объекты с орбиты. Этот эффект действует на низкие спутники (до 1000 км) и на спутники, имеющие вытянутые орбиты с низким перигеем.

Для расчета эволюции орбит падающих спутников и определения места их падения нужны модели плотности атмосферы, принимающие во внимание прогноз солнечной и геомагнитной активности. В связи с этим классическая астрономическая задача измерения солнечной и геомагнитной активности приобретает новое важное значение.

Лунно-солнечные возмущения для спутников с сильно вытянутыми орбитами и низким перигеем, а также давление солнечной радиации для спутников с высоким отношением площади к массе способны изменить время жизни спутников на высоких и переходных орбитах. Но в качестве естественного механизма самоочищения эффективно работает лишь торможение в атмосфере. Примером искусственного очищения околоземного пространства может стать перевод отработавших объектов на другую орбиту с помощью корабля многоразового использования «Шаттл».

Однако наиболее радикальной мерой могло бы быть резкое уменьшение количества запусков космических аппаратов, увеличение сроков их полезной жизни и минимизация отходов ракетно-космической техники. Существуют предложения различных научных и правительственных организаций о сокращении количества деталей, сопутствующих выводу спутника на орбиту, но никаких международных норм, направленных на стабилизацию и последующее снижение уровня засоренности околоземного космоса, пока нет.

Каждой стране международным соглашением отведены определенные интервалы долгот, за пределы которых стационарные спутники не должны уходить. Например, для советских ИСЗ были отведены долготы 35°Е, 45°Е, 53°Е, 85°Е, 99°Е и 346°Е. Смещения вдоль орбиты относительно заданной долготы не должны превышать 0°,1, что соответствует 74 км. Для удержания спутника в этих пределах необходимы периодические коррекции (включения двигателей). Они компенсируют действующие на спутник возмущения из-за эллиптичности земного экватора и гравитационного воздействия Солнца и Луны. На коррекцию затрачивается энергия. После исчерпания энергетических ресурсов спутник выходит из-под контроля и начинает свободное движение. Но еще до полного истощения топлива спутник надо удалить с этой перегруженной орбиты, чтобы исключить риск столкновения с активным ИСЗ.
Земля с ее ближайшим окружением искусственными объектами, включая геостационарное кольцо (на нем сейчас находится около 500 спутников и верхних ступеней ракет)

Расчеты показывают, что для перевода спутника на более высокую орбиту, нужно увеличить его скорость на 3,63 м/с на каждые 100 км высоты. Затраты энергии на такой маневр приблизительно эквивалентны месячному энергетическому бюджету содержания целой орбитальной станции. В 1979 г. наша страна впервые в истории космонавтики перевела отработавший стационар на другую орбиту. Европейское космическое агентство в декабре 1991 г. переместило свой метеорологический спутник «Метеосат-2» с рабочей геостационарной орбиты на орбиту «захоронения» — на 700 км выше. К сожалению, обычно чашу весов перевешивают соображения экономии. Поэтому в одном долготном окне иногда могут оказаться размещенными несколько «стационаров», да еще контролируемых независимо, разными центрами, зачастую коммерческими...

Существуют также оценки различных возможностей современных технологий искусственной очистки околоземного космоса от техногенных загрязнений, включая проекты экзотических мусоросборщиков с сетями и без, но эти проекты чрезвычайно дороги.

НЕКОТОРЫЕ НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ НАБЛЮДЕНИЙ ИСЗ

Первые спутники на орбитах до 1000 км служили хорошими визирными целями для решения геодезических задач (создание единой системы координат), а также изучения строения земной атмосферы, в том числе и учета ее влияния на орбиты спутников. Лазерная локация спутников (орбиты 5 тыс.— 20 тыс. км), снабженных уголковыми отражателями, позволяет с высокой точностью определить параметры вращения Земли, исследовать движение литосферных плит.

Институт астрономии РАН (в прошлом Астрономический совет АН СССР) начал наблюдения искусственных космических объектов со времени первого запуска в 1957 г. Глобальная сеть станций наблюдения, организованная Астросоветом, позволила решить многие научные задачи. За прошедшие годы радикально изменились и цели, и методы наблюдений. По возможности научных и прикладных исследований уникальной оказалась геостационарная орбита.

Радиолокационные наземные системы, которыми располагают Службы контроля космического пространства, имеют радиус обзора, ограниченный несколькими (5—10) тысячами километров. Для обнаружения и отслеживания далеких объектов, как правило, используется пассивная астрономическая оптика. Конечно, специфика задачи потребовала создания следящих камер и специализированных приемников излучения (фотометров, спектрометров, поляриметров), так как искусственные объекты существенно отличаются по физическим характеристикам от естественных.

В настоящее время в Институте астрономии РАН разрабатываются специализированные программы наблюдений избранных геостационарных объектов. При соблюдении некоторых условий, такие наблюдения дают возможность решать многие научные задачи, прежде считавшиеся методически неразрешимыми. Например: уточнение значений низких гармоник геопотенциала и их изменений во времени; уточнение теории влияния светового давления на движение геостационаров; исследование формы и конструктивных особенностей объектов по результатам фотометрических и спектральных наблюдений; уточнение теории атмосферного торможения, воздействующего на объекты с вытянутой орбитой на высотах сгорания (100—150 км); разработка теории регистрации сверхмалых космических объектов и теории эволюции элементов космического мусора под воздействием гравитационных и негравитационных сил; моделирование процессов образования и эволюции облаков техногенных частиц; исследование возможностей уменьшения экологической нагрузки на околоземное космическое пространство.

Космические аппараты, выведенные за пределы земной атмосферы, открыли перед учеными по существу новый мир, во многом изменили представление о Солнечной системе. Впереди еще более захватывающие перспективы: индустриализация космоса, заводы по производству новых материалов в условиях глубокого вакуума, единая информационная сеть для всего человечества, солнечные энергетические установки. Но как избежать долговременных и необратимых последствий техногенного освоения человеком «четвертой среды обитания?» Ведь до сих пор люди усиленно отравляли Землю — особенно ее атмосферу и океаны, которые казались когда-то безбрежными и бесконечными.

Проблема заселенности космоса объектами искусственного происхождения уже привлекла внимание многих национальных исследовательских институтов, космических агентств и международных организаций. ESA и NASA создали Рабочие группы для координации исследований космического пространства, которые представляют своим правительствам доклады и рекомендации. К сожалению, надо отметить, что большая активность космических исследований в СССР стала источником пополнения околоземного пространства космическим мусором. Но своей политики в решении связанных с этим проблем наша страна не имеет до сих пор.