Глава 8. ОБЩАЯ ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ *
————————————————————————
——–
љ* Содержание части III (гл. 8-14) представлено по материалам издания:
Л.С.Новиков, Н.Н.Петров, Ю.А.Романовский. Экологические аспекты
космичеавтики. М.: Знание, 1986. Сер. “Космонавтика, астрономия” , вып.
5
————————————————————————
——–
Человечеству всегда было присуще стремление дать объяснение различным
отклонениям погоды от «нормы», а попросту говоря, от неких средних
погодных условий, наблюдаемых на протяжении весьма ограниченного в
историческом масштабе отрезка времени.
Естественно, что для подобных объяснений привлекались и привлекаются
некоторые новые виды человеческой деятельности, масштабно и зримо
входящие в нашу жизнь. Уместно вспомнить, что в прошлом весьма нелестные
высказывания в связи с возможным влиянием на погоду раздавались,
например, в адрес радио. Во всяком случае, известно, что в 1928 г.
английское акционерное общество «Радиопередача» было вынуждено
обратиться в Английское метеорологическое общество с просьбой
«…опровергнуть уверенность среди широких •кругов населения, что радио
вызывает ухудшение погоды, и снять с радиопередач тяжкое обвинение о
причастности к дурной погоде нынешнего лета».
В наши дни в толпе людей, спешаших по своим делам под очередным дождем,
нет-нет да и можно услышать сказанное, скорее, в шутку, чем
всерьез:”Опять спутник, наверное, запустили – погоду испортили”. В этой
связи сразу же следует сказать, что искусственные спутники Земли
никакого влияния на погоду не оказывают. И если уж обсуждать космические
полеты в связи с погодой, то прежде всего следует говорить о той
ценнейшей метеорологической информации, которую получают с помощью
спутников и при работе космонавтов на борту орбитальных станций. Для нас
стали привычными космические снимки облачного покрова, показываемые по
Центральному телевидению в связи с очередным прогнозом погоды. Не
вызывает удивления прямое обращение из телевизионной студии к
космонавтам, работающим на борту орбитальной станции, с вопросом о
вероятности солнечной погоды в ближайшие выходные дни.
Кроме того, космическая техника позволяет человеку взглянуть на Землю со
стороны, воочию ощутить ограниченность нашей планеты и необходимость
бережного обращения с ее ресурсами. Не случайно именно в космическую эру
родилось образное выражение «космический корабль Земля», на котором
земляне путешествуют с ограниченными запасами воздуха, воды и пищи.
Надо сказать, что антропогенные воздействия, связанные с влиянием
деятельности человека на погоду, климат и в более широкой постановке на
окружающую природную среду, в ряде случаев становятся сейчас
сопоставимыми с планетарными масштабами естественных природных процессов
[1]. Идет постепенное загрязнение Мирового океана, нарушается
естественный влагооборот, происходят, хотя пока и незначительные,
изменения в составе атмосферы и т. п. [2].
Наблюдения из космоса за состоянием биосферы Земли, исследования
природных ресурсов, лесных и сельскохозяйственных угодий занимают одно
из центральных мест в прикладной космической деятельности. В ближайшие
годы эти направления получат дальнейшее развитие, а в будущем
ракетно-космическая техника в определенной степени поможет решить
проблему истощения природных ресурсов за счет выноса некоторых вредных
для биосферы производств в космическое пространство, удаления
неперерабатываемых отходов за пределы Земли и размещения в космосе
крупных энергетических и сырьевых комплексов.
Все это дает основание говорить о том, что космическое пространство
постепенно станет своеобразной: частью среды обитания и деятельности
человека, произойдет расширение содержания понятия «окружающая природная
среда» с включением в это понятие околоземного космического
пространства. Таким образом, уже сейчас идет процесс экологизации
космоса, под которым понимается «расширение сферы обитания человека, его
взаимодействия с природой до космических масштабов, выход сферы
взаимодействия общества и природы за пределы планеты, процесс освоения,
«социализации» Вселенной» [3].
С другой стороны, сама космическая техника способна также вызывать
определенные возмущения в окружающей космической среде. Это происходит
за счет поступления продуктов сгорания ракетного топлива в атмосферу при
запусках космических аппаратов, за счет выбросов различных газообразных,
жидких и твердых веществ с космических аппаратов при их функционировании
на орбитах и при перемещении в космическом пространстве и т. д. Однако
имеющиеся данные показывают, что в настоящее время суммарное воздействие
на атмосферу, связанное с космической деятельностью человека,
значительно меньше влияния, обусловленного его хозяйственной
деятельностью на Земле.
С целью изучения проблемы антропогенных воздействий на околоземное
космическое пространство, связанных с деятельностью человека как на
Земле, так и в космосе, в 1976 г. по решению КОСПАР (Комитет по
космическим исследованиям при Международном совете научных союзов) была
создана комиссия по рассмотрению подобных возможных вредных воздействий
на космическую среду. На конференции КОСПАР в 1979 г. этой комиссией
были сообщены основные направления проводимых исследований, а в 1982 г.
опубликованы некоторые предварительные результаты исследований по
проблеме антропогенных воздействий на околоземное космическое
пространство [4].
В настоящее время эти исследования приобретают все более широкий
характер. Более того, проблему антропогенных воздействий на околоземное
космическое пространство можно рассматривать как составную часть общей
проблемы взаимодействия человечества с окружающей природной средой, т.
е. проблемы, от правильного и своевременного решения которой в
значительной степени зависит будущее человечества [5].
Часть III настоящего учебника посвящена рассмотрению различных аспектов
проблемы антропогенных воздействий на околоземное пространство. Научная
терминология в этой области пока не вполне устоялась. Для обозначения
комплекса вопросов, связанных с антропогенными воздействиями на
околоземное космическое пространство, иногда будет использоваться термин
«экология космического пространства», который, возможно, не является
бесспорным. Этот термин следует отличать от понятия “космической
экологии”, под которым подразумевается упоминавшееся уже использование
космических средств для исследования и контроля экологической обстановки
в биосфере.
ОСВОЕНИЕ КОСМОСА: ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ
На заре космической эры, в 60-х годах, состоялось несколько научных
симпозиумов, участники которых пытались определить перспективы развития
космонавтики. Специалисты разных областей, расходясь в деталях воззрений
на конкретные пути развития исследований и освоения космического
пространства, были единодушны в том, что в условиях мирного развития
цивилизации освоение космоса открывает принципиально новые возможности
для повышения научно-технического потенциала человечества [6]. В 70-х
годах были выдвинуты некоторые принципиально новые идеи и получены новые
экспериментальные данные, определившие пути дальнейшего освоения
космического пространства.
Основной тенденцией в освоении околоземного космического пространства,
отчетливо проявившейся в 70-е
годы, стало решение широкого круга прикладных задач с помощью самой
разнообразной космической техники. К настоящему времени уже созданы и
интенсивно эксплуатируются различные космические системы хозяйственного
назначения: спутниковые системы связи, системы спутниковой метеорологии,
навигации, разведки полезных ископаемых и т. д. Многие практические
задачи сегодняшнего дня просто не могут быть решены без применения
космических систем.
Мы не будем останавливаться здесь на задачах в области исследования и
охраны биосферы Земли, решаемых с помощью космических систем, поскольку
эта тема рассматривается дальше. Отметим лишь, что наблюдения,
производимые с помощью спутников и с борта орбитальных станций,
позволяют изучать состояние Мирового океана и атмосферы Земли, оценивать
степень загрязненности сточных вод, следить за состоянием почв, посевов
и лесов на обширных территориях земной поверхности, дают богатую
информацию о сырьевых ресурсах планеты [7] .
Дальнейшее развитие космонавтики, безусловно, связано с использованием,
совершенствованием и созданием качественно новых долговременных
научно-исследовательских орбитальных станций многоцелевого назначения
[8] .
В связи с созданием модульных долговременных орбитальных станций нового
поколения и необходимостью сооружения других крупногабаритных
космических конструкций (например, многоцелевых космических платформ,
орбитальных радиоастрономических комплексов и т. д.)љ [9] все большую
актуальность приобретает проведение в космосе строительно-монтажных
работ. И в ближайшем будущем такие работы, безусловно, получат широкое
развитие. Собственно, некоторые виды строительно-монтажных и
ремонтно-профилактических работ в космическом пространстве уже
осуществлены на пракљтике. Например, такие работы были выполнялись
космонавтами еще на борту станций «Салют-6» и «Салют-7».
Надо отметить, что исследования в области космической технологии и
производства на борту орбитальных станций закладывают основы для
создания в будущем космических промышленных предприятий. В этой области
на борту орбитальных советских станций выполнено огромное количество
экспериментов по получению сверхчистых материалов, выращиванию
кристаллов, приготовлению различных качественно новых сплавов,
производству лекарственных препаратов и т. д. [10]. Проведенные
исследования стимулировали интенсивное развитие ряда фундаментальных
научных дисциплин, в частности физики невесомости, опираясь на
достижения которых космическое производство продолжает уверенно
развиваться [11] .
Получаемая новая научная информация позволяет более точно планировать и
прогнозировать развитие этой области космической деятельности. По
современным оценкам до конца текущего столетия в космосе может быть
налажено производство в относительно небольших количествах дорогостоящих
фармацевтических препаратов, некоторых специальных кристаллов для
использования в радиоэлектронике и оптике и т. п. Широкомасштабное же
производство в космосе различных материалов для нужд промышленности
является задачей следующего столетия.
Перспективным представляется использование (например, в космическом
строительстве) материалов внеземного происхождения. На определенном
этапе это может оказаться экономически более выгодным по сравнению с
доставкой материалов с Земли. В качестве сырья для производства
космических строительных материалов рассматриваются минеральные ресурсы
Луны и некоторых астероидов. В этой связи уже ведется реальная
проработка различных проектов лунных поселений, на базе которых в
перспективе могут быть созданы горнодобывающие комплексы и
перерабатывающие предприятия.
Для энергообеспечения лунных поселений предполагается использовать
ядерный реактор, планируется создание замкнутых систем жизнеобеспечения,
прозрачных куполов для выращивания сельскохозяйственных культур и т. д.
Безусловно, промышленное освоение Луны сопряжено с необходимостью
решения многих сложнейших технических задач и будет осуществляться
поэтапно в течение десятков лет.
Надо сказать, что прогнозирование путей развития космонавтики в условиях
ее стремительного прогресса, постоянного появления новой
научно-технической информации, новых идей, проектов и разработок,
конечно, является чрезвычайно сложным делом. На наших глазах в течение
нескольких последних лет многие крупные космические проекты подвергались
кардинальной переоценке.
Подобное произошло, например, с проектом создания спутниковых солнечных
электростанций (ССЭ). Напомним, что проект создания ССЭ, расположенных
на геостационарной орбите и преобразующих энергию солнечного излучения в
передаваемое на Землю направленное сверхвысокочастотное радиоизлучение
или лазерное излучение, был выдвинут в 1973 г. Согласно оценкам ССЭ
мощностью 5—10 ГВт должны оснащаться солнечными батареями площадью
50—100 кмљ, максимальные поперечные размеры ССЭ могли бы достигать 20—30
км, а масса всей конструкции —- 100000 т.
Однако проведенный комплексный анализ показал, что реализация проекта
ССЭ встречает множество трудностей технического, экономического и
экологического характера. Некоторые из них мы рассмотрим дальше. Из-за
этих трудностей чересчур оптимистические прогнозы, предсказывавшие
создание промышленных ССЭ, уже в середине 1990-х годов, сменились более
реалистичными оценками, относящими создание таких ССЭ к середине XXI в.
Но вне зависимости от конкретных путей дальнейшего развития космонавтики
расширение масштабов хозяйственной деятельности человека в космосе в
будущем может потребовать решения проблем экологии околоземного
космического пространства, являющихся до известной степени характерными
и земной экологии: проблемы воздействий космических транспортных средств
на околоземное космическое пространство и проблемы љего загрязнения
выбросами газообразных, жидких и твердых отходов из космических
производственных комплексов.
Конечно, обострения этих проблем можно ожидать, по-видимому, лишь в
следующем столетии, однако очень важно уже сейчас глубоко и тщательно
изучать все виды антропогенных воздействий на космическую среду,
анализировать экологические перспективы деятельности в космосе,
поскольку пренебрежение требованиями экологии и охраны окружающей среды
может в конечном счете свести на нет плоды технического прогресса.
Естественно, будущие космические предприятия должны работать таким
образом, чтобы исключить попадание их отходов в атмосферу Земли. Но и
засорение околоземного космического пространства, иногда неоправданно
рассматриваемого в некоторых технологических схемах как гигантский
вакуумный насос, может обернуться трудно предсказуемыми негативными
последствиями. Кроме того, выбрасываемые отходы могут воздействовать и
на сами космические сооружения. Известно, что выбросы различных веществ
с космических аппаратов приводят к образованию около него собственной
атмосферы, к загрязнению поверхности космических аппаратов и в конечном
итоге могут приводить к нарушению их нормального функционирования [12]
.
Говоря о проблемах, связанных с загрязнением космического пространства,
нельзя не упомянуть о выдвигаемых проектах отправки в космос
высокотоксичных и радиоактивных отходов наземных промышленных
предприятий. Хотя, казалось бы, удаление таких отходов в космос более
благоприятно для биосферы Земли, нежели их захоронение в шахтах или в
глубинах океана (при условии, конечно, гарантии абсолютной безопасности
и надежности самой операции отправки отходов с Земли), однако такие
проекты требуют тщательного экологического обследования.
В частности, необходимо всесторонне изучить возможные дальнейшие
долговременные движения и превращения выбрасываемых веществ в
космическом пространстве. Здесь могут оказаться недостаточными бытующие
порой упрощенные представления о том, что, например, радиоактивные
отходы совершенно безвредно для окружающей среды вольются в потоки
естественной космической радиации.
Существует и морально-этическая сторона загрязнения космического
пространства промышленными отходами. Как подчеркивают А. Д. Урсул и Ю.
А. Школенко, активно разрабатывающие методологические аспекты
космонавтики, при ориентации на промышленное использование космического
пространства и небесных тел не следует переходить меру разумного. В
частности, по их мнению, «было бы неразумно, недальновидно и неэтично
считать космос, хотя и безбрежный, исключительно местом свалки земных
отбросов» [13].
При анализе экологических аспектов освоения космоса, безусловно,
необходим широкий диалектический подход, предусматривающий не только
сохранение исходных природных условий, но и их направленное изменение.
Это в полной мере относится, например, к выдвигаемым проектам
воздействия на атмосферы Венеры и Марса с целью приближения условий на
этих планетах к земным. Однако многочисленные уроки, полученные
человечеством в процессе преобразования природы Земли, заставляют
относиться с крайней осторожностью и ответственностью к подобным
действиям в космическом пространстве.
Околоземное пространство в целом представляет собой весьма динамичную и
нестабильную систему, которая под влиянием внешних воздействии может
переходить в неустойчивое состояние с выделением значительного
количества энергии и развитием крупномасштабных возмущений типа
магнитосферно-ионосферных бурь. Теоретические оценки показывают, что при
определенных условиях причиной заметных возмущений околоземной среды
могут стать и факторы антропогенного происхождения, такие, например, как
выбросы нейтрального газа или плазмы двигательными установками
транспортных космических систем.
Далее мы рассмотрим аспекты экологии околоземного космического
пространства, связанные с функционированием и развитием таких систем.
Глава 9. ПРОБЛЕМА КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
————————————————————————
——–
С космосом у нас привычно ассоциируется понятие «безбрежный», однако в
известном смысле теснота в космосе уже действительно начинает ощущаться,
и здесь вновь невольно напрашивается аналогия с земными экологическими
проблемами. Подобно тому как при малом количестве автомобилей несколько
десятков лет назад не стоял остро вопрос о загрязнении воздуха их.
выхлопными газами и очень незначительной была опасность столкновений
автомобилей друг с другом, так и относительно малое до настоящего
времени число запусков космических аппаратов не вызывает пока серьезных
опасений по поводу космических «дорожно-транспортных происшествий».
Однако в будущем — при строительстве и эксплуатации околоземных
производственных комплексов, при промышленном освоении Луны — ситуация
может сильно измениться. Потребуется организация широкомасштабных
грузовых перевозок на трассе «Земля-космос», на орбитах появятся
крупногабаритные объекты, заметно возрастет число искусственных объектов
в околоземном космическом пространстве. Поэтому и основы рационального
решения будущих космических транспортных проблем, включая их
экологический аспект, должны закладываться уже сейчас.
Перспективные транспортные космические системы (ТКС) [14] , построенные
на базе новых высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей,
двигателей на твердом топливе и электрореактивных двигателей с
солнечными энергетическими установками, а позже и на базе лазерных и
фотонных двигательных установок, безусловно, будут более «экологичными»,
т. е. в меньшей степени загрязняющими космическую среду, по сравнению с
современными. Поэтому оценки воздействия ТКС на окружающую среду,
основывающиеся на технических показателях современных ракетных
двигателей, могут оказаться сильно завышенными в случаях применения их к
перспективным космическим проектам. Тем не менее подобные оценки
необходимы.
Современные мощные ракеты-носители при выведении на орбиту полезной
нагрузки массой в несколько десятков тонн расходуют топлива в 20—-30 раз
больше массы полезного груза. Например, стартовая масса американской
ракеты «Сатурн-5» составляла 2900 т, тогда как ее полезный груз — около
100 т. В результате при каждом пуске мощной ракеты выбрасывались в
атмосферу сотни тонн продуктов горения.
Представление о типичных транспортных операциях в околоземном
пространстве, планируемых, в частности, при монтаже крупных сооружений
на геостационарной орбите, дает табл. 9.1. К примеру, если задаться
целью создать на геостационарной орбите гигантский объект массой 100
тыс. т, то потребуется вывести на околоземную опорную орбиту
приблизительно втрое больше грузов, включая топливо для буксировки
собранного на низкой орбите объекта на геостационарную орбиту. Даже
ориентируясь на будущие сверхтяжелые носители, способные выводить в
космос полезный груз 300 т, мы получим, что для обеспечения космического
строительства в таких масштабах потребуется запустить около 1000 ракет.
При этом в атмосферу будет выброшено в общей сложности 6—9 млн. т
продуктов сгорания ракетного топлива.
Таблица 9.1
Транспортные операции, планируемые при строительстве
крупногабаритного объекта на геостационарной орбите
Транспортная система
Выполняемые операции Топливо Тип двигателя *
Тяжелые транспортные космические аппараты
Доставка грузов с Земли на опорную околоземную орбиту CH4/O2
ЖРД (возможно, с РДТТ)
Транспортные космические аппараты для перевозки персонала Доставка
персонала на околоземную космическую орбиту H2/O2
керосин ЖРД
Грузовые межорбитальные транспортные аппараты (“буксиры”) Доставка
грузов с околоземной орбиты на геостационарную орбиту HgArCs
H2/O2 ЭРД,
ЖРД
Межорбитальные транспортные аппараты для перевозки персонала Доставка
персонала на геостационарную орбиту H2/O2 ЖРД
__________________________________________
* Здесь приняты следующие обозначения:
ЖРД — – жидкостный ракетный двигатель,
ЭРД -— электрореактивный двигатель,
РДТТ —- твердотопливный ракетный двигатель.
Предположим, что все эти ракеты будут запущены в течение одного года.
Насколько значительной для атмосферы Земли может оказаться такая
антропогенная «нагрузка»?
Для сопоставления укажем, что за счет сжигания топлива разных видов на
Земле в атмосферу сейчас ежегодно поступает более 20 млрд. т углекислого
газа и свыше 700 млн. т других газообразных соединений и твердых частиц,
в том числе около 150 млн. т сернистого газа. Последний, соединяясь с
атмосферной влагой, образует серную кислоту, что может приводить к
выпадению так называемых кислотных дождей, отрицательно влияющих на
растительный и животный мир.
Ясно, что в глобальном масштабе выбросы в атмосферу, создаваемые при
запуске в течение года даже большего количества мощных ракет, ничтожно
малы по сравнению с промышленными выбросами. Правда, надо отметить
возможность заметного локального воздействия запусков мощных ракет на
атмосферу и ионосферу, а также тот факт, что ракеты в отличие от
промышленных предприятий выбрасывают продукты горения в широком
интервале высот. Последнее имеет существенное значение, поскольку
поступление инородных соединений в верхнюю атмосферу, где общее
содержание естественных газов мало, как раз и вызывает некоторые
специфические физические явления.
Эффекты, вызываемые в околоземной среде работой двигательных установок
транспортных космических систем, мы обсудим в следующем разделе, а
сейчас рассмотрим подробнее проблему засорения околоземного пространства
искусственными телами и посмотрим, какова же опасность столкновений
спутников с такими телами.
В 70-х годах в связи со значительным расширением масштабов деятельности
в космосе эти вопросы уже обрели достаточную актуальность. К настоящему
времени в околоземном космическом пространстве находится около 8000
объектов искусственного происхождения с поперечными размерами более 10
см, регистрируемых с помощью наземных оптических и радиолокационных
наблюдательных средств. На рисунке 9.1 показано высотное распределение
плотности потока таких объектов. Видно, что наибольшая плотность потока
наблюдается на низких околоземных орбитах в области высот 800-1000 км.
Следующий пик в высоткном распределении плотности потока наблюдается в
области геостационарной орбиты (высота 36000 км), однако абсолютное
значение плотности потока искусственных объектов здесь существенно
меньше, чем на низких орбитах.
Рис. 9.1. Заселенность космического пространства искусственными
объектами в зависимости от высоты
В соответствии со степенью «заселенности» околоземного космического
пространства меняется вероятность столкновений спутников с другими
искусственными телами на разных орбитах. Например, для. спутника
диаметром 10 м вероятность столкновения с крупным искусственным телом в
течение года на наиболее «заселенных» орбитах оценивалась по приведенным
данным приблизительно как 10-4. Суммирование по времени вероятности
столкновения с учетом увеличения числа искусственных объектов в
околоземном пространстве позволяет в принципе определить вероятное число
столкновений для спутника к заданному моменту времени.
Рис. 9.2. Возможность столкновения искусственных объектов в околоземном
космическом пространстве
На рис. 9.2 приведены результаты такого расчета, выполненного для трех
вариантов предполагавшегося ежегодного прироста числа искусственных
объектов в интервале высот от 200 до 4000 км на 13 %, на 510 объектов и
на 320 объектов в год. Такие варианты увеличения числа искусственных
объектов в околоземном космическом пространстве были выбраны на
основании анализа их количества в разные периоды до 1976 г. Согласно
этим данным, при наиболее быстром ежегодном приросте числа крупных
объектов в околоземном пространстве (ежегодно на 13%) первое
столкновение спутника с крупным телом искусственного происхождения
прогнозируется к 1989 г., а при наиболее медленном приросте (на 320
объектов в год) — к 1997 г. Последующее развитие событий подтвердило
прогнозо, сделанный для случая наиболее медленого прироста числа
искусственных объектов в околоземном пространстве. К настоящему времени
зафиксированы 2 случая повреждения космических аппаратов, которые
достаточно надежно идентифицируются как результат столкновения с
крупными телами космического мусора.
В последние годы более критичной с точки зрения возможных космических
столкновений стала геостационарная орбита: число геостационарных
спутников измеряется уже несколькими сотнями, причем они размещаются
преимущественно на четырех участках орбиты (около 115° и 20° з. д„ 70° и
175° в. д.). Их положение на геостационарной орбите с применением
активной коррекции может поддерживаться в среднем с точностью ±0,1° по
долготе и широте (что соответствует квадрату со сторонами 150 км), а по
высоте — в пределах 30 км.
Перемещения геостационарных спутников, прекративших активную работу, по
орбите более значительны. Это и создает наибольшую потенциальную
опасность столкновений. Считается, что из-за дрейфа геостационарных
спутников по орбите могут происходить их опасные сближения на расстоянии
1—-10 км. Все это уже сейчас дает основание говорить о
«перенаселенности» геостационарной орбиты.
В этой связи отметим, что еще на проходившей в августе 1982 г. II
конференции ООН по исследованию и использованию космического
пространства в мирных целях возможность столкновений геостационарных
спутников рассматривалась наряду с взаимными радиопомехами как основной
фактор, ограничивающий ресурсы геостационарной орбиты. По оценкам,
вероятность столкновения геостационарных спутников в ближайшие годы
может не превысить 10-3, однако в случае вывода на геостационарную
орбиту крупногабаритных сооружений типа ССЭ она существенно возрастет.
На низких орбитах значительно большую, нежели крупные искусственные
тела, опасность для космических аппаратов представляют мелкие осколки,
образующиеся при взрывах пиротехнических устройств, выполняющих операции
разделения объектов, отстрела защитных кожухов и т. п., а в еще большем
количестве -— при взрывах различных объектов. Осколок с поперечным
размером 1 см, находящийся на низкой орбите, способен пробить
металлическую стенку толщиной несколько сантиметров. Точное число мелких
осколков, находящихся в околоземном космическом пространстве,
неизвестно. По некоторым данным их около 70 000, и вероятность
столкновения действующих космических аппаратов с мелким осколком уже
может быть сопоставимой с вероятностью попадания в них метеороида тех же
размеров.
Кстати, первое столкновение космического корабля с мелкой частицей
искусственного происхождения было зафиксировано в 1983 г. После второго
полета американского корабля «Челленджер» был обнаружен кратер диаметром
5 мм от удара твердой частицы. На основании тщательного обследования
специалисты пришли к заключению, что эта частица вероятнее всего была
кусочком краски, отделившимся от какого-то другого КА. Заметим, что
оценка вероятности столкновения за 7 суток полета такого корабля с
осколком, способным сильно повредить его внешнюю обшивку, составляет
4.10-6.
Для снижения опасности столкновений спутников с подобными осколками,
во-первых, принимаются меры по уменьшению числа различных операций в
околоземном пространстве, связанных с какимилибо взрывами, а во-вторых,
разрабатываются проекты удаления осколков с орбит с помощью различного
рода космических «мусоросборщиков». Создаются и бортовые средства для
регистрации осколков, предназначенные для их обнаружения непосредственно
с космического корабля и принятия на этой основе мер по предотвращению
столкновения.
Для удаления с рабочих орбит прекративших активное функционирование ИСЗ
(что наиболее актуально для геостационарной орбиты) предусматривается
оснащать их специальными двигателями. С помощью последних спутник после
окончания срока службы можно переводить на очень высокие орбиты или,
наоборот, тормозить для более быстрого схода с орбиты в плотные слои
атмосферы. Возможно, однако, их неполное сгорание в этих слоях, и
поэтому существует опасность падения на поверхность Земли достаточно
крупных обломков,
Специально изучался и вопрос о возможном загрязнении атмосферы
продуктами сгорания спутников, прекращающих свое существование в плотных
слоях атмосферы. Правда, расчеты показывают, что даже при планируемом в
ближайшие десятилетия расширении космической деятельности сгорание
спутников и других космических аппаратов в плотных слоях атмосферы не
должно привести к ее сильному загрязнению. Например, ожидаемое
увеличение содержания окиси азота в верхней атмосфере составляет не
более 0,05%. Не предвидится также существенного накопления в атмосфере
различных токсичных соединений за счет такого сгорания.
Можно, конечно, предполагать возможность локального загрязнения
атмосферы (и даже земной поверхности, если продукты сгорания достигнут
ее), хотя подобные эффекты не наблюдались. Тем не менее одним из
требований, предъявляемых к материалам космических аппаратов, является
выделение минимального количества токсичных веществ при сгорании в
атмосфере.
Глава 10.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАПУСКОВ КОСМИЧЕСКИХ РАКЕТ НА ОКОЛОЗЕМНУЮ СРЕДУ
————————————————————————
——–
Уже в 60-х годах исследователи, проводившие наблюдения ионосферы во
время запусков мощных ракет-носителей, обратили внимание на необычные
явления в ионосфере: после запуска ионосфера, казалось бы, исчезает
вблизи следа ракеты, но через час-другой картина нормальной ионосферы
восстанавливалась. Было высказано предположение, что газы, выбрасываемые
в ионосферу при полете ракеты, «выталкивают» разреженную ионосферную
плазму. В результате в ионосфере образуется область с пониженной
плотностью плазмы -— «дыра», которая после расплывания облака газа снова
затягивается.
Толчком к дальнейшему исследованию явлений в ионосфере, сопровождающих
запуски ракетносителей, стало обнаружение так называемого
«Скайлэб-эффекта», который был выявлен при запуске в мае 1973 г. мощной
ракеты-носителя «Сатурн-5», выводившей в космос станцию «Скайлэб».
Двигатели ракеты-носителя работали до высот 300-—400 км, т. е. в
F-области ионосферы, где располагается максимум ионизации ионосферы.
Сопоставление же данных по концентрации электронов в ионосфере при
запуске станции «Скайлэб» и за сутки до того показало, что эта
концентрация после запуска ракеты-носителя уменьшилась на 50%, причем
площадь возмущения в ионосфере по данным наблюдений радиомаяков достигла
приблизительно 1 млн. кв. км.
Р и с. 10.1 «Скайлэб»-эффект в ионосфере:
1 —- средние значения суточных вариаций полного содержания электронов
(ПСЭ) в столбе ионосферы,
2 -— суточные вариации ПСЭ в день запуска станции «Скайлэб»,
3 – — в момент запуска
Этот эффект иллюстрируется рис. 10.1, где показаны изменения электронной
концентрации в ионосфере в течение суток, усредненные за месяц до
запуска ракеты-носителя «Сатурн-5» и измеренные в течение суток в день
запуска. Результаты измерений показывают, что «дыра» в ионосфере
существовала после запуска ракеты примерно 3 ч, а затем ионосфера
вернулась к невозмущенному состоянию.
Данные по ионосферным возмущениям при запусках мощных ракет-носителей
подтвердили необходимость тщательного и всестороннего исследования
воздействий существующих и перспективных транспортных космических систем
на околоземную среду. К настоящему времени проведен также ряд
экспериментальных исследований и модельных оценок влияния, которое
оказывают выбросы двигательных установок этих систем на химический
состав атмосферы.
Таблица 10.1
Компоненты, выбрасываемые в окружающую среду при работе двигательных
установок
ракет и космических аппаратов
Тип аппарата Высота, км Выбрасываемые продукты
HCl+Cl NOx COx H2O, H2 окислы ионы Ar+
алюминия
Многоразовый транспортный космический корабль (МТКК) 0-50
>50 187 7 378 346 177
166
Транспортный космический аппарат 60-120
120-500 200
30
Межорбитальный транспортный аппарат:
грузовой вариант
пассажирский вариант 500-36000
500
300
Сначала ознакомимся с компонентами топлива, которые выбрасываются в
окружающую среду при запусках ракетносителей и при работе двигательных
установок космических аппаратов. Из табл. 10.1 следует, например, что
состав продуктов сгорания, выбрасываемых двигателями МТКК «Спейс Шаттл»
в нижних слоях атмосферы, весьма многообразен и включает в себя
токсичные компоненты. В приземном слое атмосферы высотой до 0,5-—1,0 км
выбросы, образующиеся при стартах МТКК, могут приводить к токсичному
загрязнению облаков, выпадению кислотных дождей и изменениям погодных
условий в районе старта на территории 100—-200 кв.км. Правда, отмеченные
эффекты кратковременны, поскольку сильные турбулентные движения в
приземной атмосфере приводят к быстрому перемешиванию выброшенных
химических компонентов и снижают их концентрацию до уровней, ниже
допустимых по безопасности для человека и животных.
Однако в стратосфере на высоте 15—-50 км процессы перемешивания менее
эффективны, в результате чего загрязнения, вносимые при запусках
ракетносителей, носят более долговременный характер. Так, частицы
аэрозоля, выброшенные двигателями ракет-носителей, могут существовать в
стратосфере до года и более, что может сказаться на тепловом балансе
атмосферы. Кроме того, такие продукты сгорания, как соединения хлора,
азота и водорода, являются катализаторами реакций с участием молекул
озона и их роль в фотохимическом цикле озона велика, несмотря на их
относительно малые концентрации в стратосфере.
А какие явления на больших высотах сопровождают запуски мощных
ракет-носителей?
В мезосфере, на высотах 70—-90 км, основными выбрасываемыми компонентами
продуктов сгорания двигательных установок МТКК и мощных ракет-носителей
являются H2 и H2O. Поскольку температура атмосферы на этих высотах самая
низкая, то молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются с
образованием ледяных кристаллов. В результате этих процессов могут
возникать искусственные облака, подобные серебристым облакам, которые
образуют самый верхний облачный слой в атмосфере Земли.
Переходя к еще большим высотам, где находится ионосфера, отметим
основные процессы, приводящие к возникновению крупномасштабных
ионосферных возмущений -— ионосферных «дыр», о которых уже упоминалось в
начале этой главы..
Начальная фаза развития ионосферного возмущения определяется быстрым
расширением облака продуктов сгорания, основными компонентами которого
являются H2, H2O и CO2. Часть этих молекул конденсируется, в то время
как значительная доля взаимодействует с компонентами ионосферной плазмы.
В результате этого взаимодействия концентрация электронов в ионосфере
уменьшается и образуется область с пониженной плотностью электронов, т.
е. ионосферная «дыра».
Возникновение ионосферной «дыры» сопровождается аномалиями свечения
ионосферы в области «дыры», изменениями в распространении радиоволн,
возбуждением волновых явлений различного рода. Дело в том, что
образующаяся при полете мощной ракеты-носителя ионосферная «дыра»
действует как своего рода «насос», который как бы «откачивает» плазму из
внешней ионосферы и плазмосферы. Поскольку движение плазмы
контролируется геомагнитным полем, то вдоль силовой линии поля в
результате оттока плазмы возникает столб с пониженной плотностью плазмы.
Ряд данных указывает на тенденцию накопления компонентов искусственного
происхождения в верхней атмосфере. Так, профессор В. И. Красовский и его
коллеги, наблюдая спектры свечения атмосферы, зарегистрировали
увеличение фонового свечения ионов воды, которое за период с 1960 по
1980 г. увеличилось на два порядка величины. Этот эффект ученые
объясняют накоплением паров воды в мезосфере и нижней термосфере в
результате регулярных запусков ракет-носителей.
Оценивая эффекты возможных воздействий на F-область ионосферы в будущем,
приведем несколько цифр, характеризующих изменения электронной
концентрации в ионосфере при полетах перспективных транспортных
космических систем. Так, по расчетам американских специалистов, запуски
тяжелых космических буксиров (межорбитальных транспортных аппаратов)
могут сопровождаться инжектированием в ионосферу 1031 молекул H2 и H2O,
что вызовет образование ионосферной «дыры» площадью около 20 млн. кв.
км. (это вдвое превышает территорию США) [15] .
Длительность существования «дыры» в зависимости от геофизических условий
может достигать 1—-16 ч. При регулярных запусках таких перспективных
космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном по
лушарии может возникнуть в ионосфере глобальный пояс шириной 2000-—10000
км с пониженной концентрацией заряженных частиц. Степень уменьшения
электронной концентрации в таком поясе составит не менее 10% и будет
варьировать в зависимости от геофизических условий.
Ионосферу «загрязняют» не только запуски ракет-носителей. При полетах
больших космических аппаратов, например орбитальных станций, в
результате микротечений и газоотделения материалов, а также работы
различных бортовых систем образуется уже упоминавшаяся собственная
атмосфера космических аппаратов, параметры которой могут существенно
отличаться от характеристик окружающей среды. По измерениям параметров
среды возле станции «Скайлэб» и МТКК было зарегистрировано увеличение
давления возле этих космических аппаратов на 3—4 порядка по сравнению с
давлением в окружающей атмосфере. Были отмечены также заметные изменения
в нейтральном и ионном составе, обусловленные газовыделением материалов
станции, в электромагнитных излучениях, потоках заряженных частиц.
Сложное взаимодействие набегающего потока ионосферной плазмы с
искусственной атмосферой, окружающей космический аппарат, приводит в
ряде случаев к возникновению своеобразных разрядных явлений,
сопровождающихся свечением среды возле аппарата и поверхности самого
аппарата, генерацией электромагнитных излучений, ускорением заряженных
частиц ионосферной плазмы [16] .
Очевидно, что подобное комплексное «загрязнение» •среды возле
космического аппарата -— явление нежелательное как для самого аппарата,
так и для тех экспериментов и наблюдений, которые проводятся с его
помощью.
В заключение этого раздела рассмотрим некоторые проблемы «экологии
магнитосферы», которые придется учитывать при разработке перспективных
транспортных космических систем, например космических буксиров, которые
должны транспортировать грузы и персонал с околоземной базовой орбиты на
более высокие. При полетах этих космических буксиров, использующих
жидкостные ракетные двигатели, в околоземное пространство будут
выбрасываться H2 и H2O, а при полетах буксиров, использующих
электрореактивные двигатели,— ионы Аг+ с энергией до 3,5 кэВ (см. табл.
10.1). Причем выброс основной массы газов и ионов будет проводиться в
плазмосфере и магнитосфере, образующих плазменную оболочку Земли. Для
примера укажем, что космический грузовой буксир при транспортировке
груза с базовой на геостационарную орбиту будет инжектировать в
околоземное пространство около 1031 ионов Аг+ и электронов (при работе
электрореактивных двигателей). При строительстве же в течение года двух
ССЭ мощностью 10 ГВт каждая космические буксиры выбросят в ионосферу и
магнитосферу около 1033 атомов водорода (в виде H2 и H2O) и 4.1032 ионов
Аг+ и электронов. Для сравнения укажем, что естественное содержание
атомов водорода в плазмосфере между уровнем 500 км и плазмопаузой
(расстояние, равное 4 радиусам Земли) составляет 3.1032 атомов.
Количество плазмы (ионы Аг+ и электроны), выброшенное в околоземное
космическое пространство, будет сравнимо с общим содержанием плазмы в
областях магнитосферы, пересекаемых космическим буксиром.
Энергия искусственной инжектированной плазмы почти в 1000 раз превысит
энергию «холодных» частиц естественной магнитосферы и будет сопоставима
с энергией, которая передается околоземному пространству при развитии
магнитной бури после солнечной вспышки.
•Однако необходимо отметить, что энергия такой величины будет
передаваться магнитосфере не сразу, а по•степенно — в течение нескольких
месяцев буксировки объектов на геостационарную орбиту.
Одним из важных явлений при работе двигательных установок космических
буксиров может стать возникновение так называемых «триггерных» явлений в
околоземном космическом пространстве. Дело в том, что магнитосфера, как
уже отмечалось, представляет собой неустойчивую среду. При выбросах газа
и плазмы во время работы двигательных установок космических буксиров
может происходить резкое изменение условий динамического равновесия волн
и частиц в магнитосфере, что вызывает высыпание частиц из магнитосферы и
развитие суббуревых возмущений. Таким образом, выброс газа или плазмы
может служить своеобразным спусковым механизмом, стимулирующим развитие
крупномасштабных геофизических явлений в околоземном пространстве, т. е.
своего рода переход магнитосферы из одного энергетического состояния в
другое.
Представленный краткий анализ возмущений в околоземном пространстве при
запусках мощных ракет-носителей и при полетах космических аппаратов
показывает, что уже в настоящее время эти возмущения хотя и невелики по
масштабам околоземного пространства, но тем не менее заметны. С
увеличением высоты размеры области и интенсивность искусственных
возмущений растут. Область возмущения при запуске мощной:
ракеты-носителя можно представить в виде конуса, обращенного вершиной к
Земле. У поверхности Земли диаметр возмущенной области составляет
несколько десятков километров и достигает нескольких тысяч километров на
высотах 300—-400 км.
Глава 11.
АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОЗОННЫЙ СЛОЙ
————————————————————————
——–
Хотя озонный слой, защищающий Землю от вредного воздействия
коротковолнового солнечного излучения, располагается на высотах ~20-50
км, проблема образования так называемых “озонных дыр” постоянно
упоминается в связи с запусками мощных ракет-носителей. До настоящего
времени продолжаются споры между учеными относительно того, какие же
факторы в ниабольшей степени способствуют разрушению озонного слоя.
В середине 70-х годов одна из мощных отраслей промышленности США,
производящая аэрозольные упаковки, содержащие фторхлоруглероды (фреоны),
оказалась под угрозой ликвидации. В прессе публикации на тему «Атака на
фреоны» потеснили на время светские новости и сообщения уголовной
хроники, а в редакции газет поступали требования об изъятии упаковок с
фреонами из продажи. Губернаторы штатов Орегон и Нью-Йорк выступили с
заявлениями о готовности подписать законопроект, запрещающий продажу
аэрозольных упаковок.
Причиной всех этих событий стала статья известных специалистов по
аэрономии Ф. Роланда и М. Молина в журнале «Нейчур» («Природа»). В этой
статье, названной «О возможных неблагоприятных последствиях, связанных с
попаданием фторхлоруглеродов в атмосферу», авторы в результате модельных
расчетов пришли к выводу, что накопление фреонов в атмосфере может
привести к уменьшению стратосферного озона. Отмечалось, что это, в свою
очередь, приведет к увеличению потока ультрафиолетового излучения Солнца
у поверхности Земли и как следствие к возможному увеличению заболеваний
людей раком кожи, гипертонией, неврозами. На чем же основывались авторы
«атаки на фреоны»? Исследования цикла фотохимических процессов в
стратосфере, протекающих с участием молекул озона, показали, что озон
легко разрушается, вступая во взаимодействие с различными химически
активными компонентами, в том числе и с атомами хлора. Ф. Роланд и М.
Молин представили расчеты, свидетельствующие о том, что поставщиком этих
атомов могут служить и фреоны, проникающие в стратосферу и там
диссоциирующие с образованием атомов хлора.
Экспериментальных данных, которые могли бы подтвердить или отвергнуть
выдвинутую гипотезу, не было. Согласно некоторым расчетам при
существующем уровне производства фреонов содержание озона в стратосфере
может уменьшиться на 16% уже через четверть века, т. е. при жизни одного
поколения людей. На этот период предсказывалось увеличение случаев
заболевания раком кожи на 0,5-—1,5 млн. случаев по сравнению с
сегодняшним уровнем.
Однако атака на фреоны натолкнулась на стойкую защиту фреонов. От
«нападающих» потребовали более точных оценок, поскольку ряд косвенных
фактов, связанных с существованием и вариациями хлорсодержащих
соединений в атмосфере, не давал особых оснований бить тревогу. Более
того, на озон могут оказывать воздействие и другие малые составляющие
антропогенного происхождения — например, соединения азота, которые также
эффективно взаимодействуют с молекулами озона.
Следует подчеркнуть, что проблема атмосферного озона достаточно сложна и
носит комплексный характер. Дело в том, что озон есть лишь отдельное
(хотя и очень важное!) звено в сложной системе, которую представляет
собой атмосфера. Достаточно сказать, что на содержание малых
составляющих в стратосфере, которые могут вступать в реакции с
молекулами озона, оказывает влияние до 85 различных реакций
одновременно. Параметры ряда важных реакций этой сложной «фотохимической
кухни» пока еще не определены.
В связи с этим упрощенные оценки того или иного эффекта в озонном слое
без учета комплексного характера всей системы могут скорее обозначать
остроту определенного направления в решении проблем «озонного щита».
В настоящее время полагают, что основные источники антропогенного хлора
и азота в стратосфере связаны с промышленным и сельскохозяйственным
производством. Так, по данным на 1975 г. образование хлора за счет
антропогенных источников различного происхождения составило около 4.106
т в год, из них фреонов около 8.105 т в год. Средний темп увеличения
составлял. около 10% в год, и хотя доля фреонов в общем балансе
хлорсодержащих соединений составляет 20%, поступление атомов хлора в
стратосферу обеспечивается в основном за счет фреонов.
Фреоны дают от 50 до 70% общего количества хлора, попадающего в
стратосферу. Для сравнения можно указать, что основной естественный
источник стратосферного хлора —- вулканические извержения -—
обеспечивает поступление от 5 до 30% стратосферного хлора. Таким
образом, в стратосфере преобладает хлор антропогенного происхождения, и
именно рост антропогенного вклада в общий баланс хлорсодержащих
соединений будет определять содержание хлора в стратосфере и его роль в
дальнейшей эволюции озоносферы.
По имеющимся оценкам, важную роль в балансе стратосферного озона играют
и соединения азота, которые обеспечивают до 70% фотохимического стока
молекул озона. Однако в отличие от хлора в общем балансе соединений
азота в стратосфере преобладают естественные, а не антропогенные
источники.
Можно сравнить различные антропогенные источники азота и хлора в
стратосфере для того, чтобы оценить относительный вклад перспективных
транспортных космических систем в баланс озона в стратосфере. Если
использовать имеющиеся данные по выбросам двигательных установок
современных транспортных космических систем (см. табл. 10.1) и учесть
опубликованные данные по разработкам перспективных таких систем, то
можно определить возможное поступление соединений азота и хлора в
стратосферу за счет транспортных космических систем. Повидимому, к 2005
г. оно не превысит 105 т в год, что менее 10% общего антропогенного
источника соединений азота и хлорка в стратосфере.
Таким образом, можно полагать, что развитие космонавтики не будет
существенным образом влиять на параметры «озонного щита» в глобальном
масштабе. Тем не менее локальные воздействия на озоносферу вблизи
областей запусков ракет-носителей и МТКК могут быть более заметными и
потребуют специальных исследований.
Особо надо сказать о влиянии таких антропогенных воздействий на
атмосферный озон, как ядерные взрывы в атмосфере и вызванные ими
геофизические эффекты. Реальность таких воздействий подтверждается
наблюдениями содержания озона в начале 60-х годов, когда такие взрывы в
атмосфере были регулярными. Эффекты уменьшения озона в атмосфере после
взрывов отмечались в течение нескольких лет.
В последние годы исследованиям озонного слоя уделяется весьма
значительное внимание в связи с обнаружением и наблюдением в течение
нескольких лет озонной дыры над Антарктидой. Не останавливаясь здесь
подробно на этих исследованиях, отметим, что их результаты
свидетельствуют о наличии целого ряда естественных процессов в
атмосфере, приводящих к образованию озонных дыр.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
