Спутники и МКС летают в термосфере — в слое атмосферы, нижняя граница которого начинается на высоте 80 километров, а верхняя заканчивается на высоте 600 километров. Воздух там очень разреженный: частицы (атомы и молекулы газов) расположены так далеко друг от друга, что почти не сталкиваются. Но их все же достаточно, чтобы создавать слабое сопротивление.
Такое сопротивление замедляет объекты. Даже микроскопические частицы в термосфере, сталкиваясь со спутниками или обломками, понемногу тормозят их. Потеря скорости заставляет спутники и мусор снижаться. Чем ниже они опускаются, тем плотнее становится атмосфера. Когда объекты достигают нижних слоев атмосферы (высоты ниже 80 километров), трение о воздух становится настолько сильным, что объекты раскаляются и сгорают. Так Земля естественным образом «убирает» космический мусор — старые спутники, обломки аппаратов.
Углекислый газ (CO₂) поглощает тепло, исходящее от поверхности Земли. Это один из так называемых парниковых газов, которые улавливают инфракрасное излучение – форму тепловой энергии, испускаемую нашей планетой.
Статья по теме: ESA планирует запустить орбитальный телескоп для наблюдения за космическим мусором
Однако в термосфере углекислый газ ведет себя иначе. Он действуют как «радиатор»: молекулы CO₂ излучают тепло в открытый космос, охлаждая термосферу. Из-за охлаждения термосфера сжимается, как шарик, из которого выпустили воздух. Ее плотность снижается — частиц становится еще меньше а, значит, уменьшается сопротивление. Меньшее сопротивление означает, что обломки и неработающие спутники останутся на орбите дольше — на десятилетия или даже века.
Обычно термосфера сжимается и расширяется каждые 11 лет, следуя циклам солнечной активности. Однако новые данные указали, что влияние парниковых газов становится доминирующим фактором, подавляя естественные процессы.
Исследователи из Массачусетского технологического института смоделировали, как изменение климата повлияет на «вместимость» низкой околоземной орбиты до конца века. Анализ показал, что при сохранении текущих темпов выбросов к 2100 году способность орбиты поддерживать спутники уменьшится на 50–66%. Причина — накопление мусора, который перестанет сгорать в атмосфере.
Статья по теме: «Грязный» космос или как орбита Земли стала гигантской свалкой
Сегодня на низкой околоземной орбите работает более 10 000 спутников. Они обеспечивают интернет, связь, навигацию, прогнозы погоды и финансовые операции. Однако их количество быстро растет. Например, проект Starlink от SpaceX уже развернул тысячи аппаратов, а в будущем планируется еще больше запусков. Это увеличивает вероятность столкновений. Когда спутники сталкиваются, они образуют обломки, которые могут угрожать другим аппаратам и вызвать разрушение орбитальной инфраструктуры.
Ученые смоделировали разные сценарии выбросов углекислого газа и их влияние на плотность атмосферы. Оказалось, что даже при небольшом росте выбросов сопротивление воздуха в верхних слоях снизится настолько, что мусор начнет накапливаться. В отдельных участках орбиты это приведет к «эффекту домино», когда каждый новый обломок увеличивает риск новых столкновений.
Иными словами, парниковые газы нарушают природный механизм очистки орбиты. Если раньше термосфера помогала сжигать мусор, то к концу нынешнего века она будет «хуже справляться с работой». Из-за этого космическое пространство вокруг Земли постепенно превратиться в свалку, что вызовет серьезную угрозу не только для самих спутников, но и космических миссий.
Человечество использует космос для множества жизненно важных задач. Однако без контроля за выбросами парниковых газов и управлением спутниковыми системами околоземное пространство может превратиться в зону хаоса. Авторы нового исследования показали, что климатическая политика влияет не только на Землю, но и на устойчивость орбитального движения. Решение этой проблемы требует комплексного подхода, включающего сокращение выбросов и разработку стратегий по очистке орбиты.
Научная работа опубликована в журнале Nature Sustainability.