Изменение климата сократит число безопасных спутников

Автор: CC0 Public Domain

Инженеры аэрокосмической отрасли Массачусетского технологического института обнаружили, что выбросы парниковых газов изменяют окружающую среду околоземного космического пространства таким образом, что со временем количество спутников, которые могут там устойчиво работать, сократится.

В исследовании, опубликованном в Nature Sustainability, исследователи сообщают, что углекислый газ и другие парниковые газы могут привести к сокращению верхних слоев атмосферы. Особый интерес представляет атмосферный слой термосферы, где сегодня вращаются Международная космическая станция и большинство спутников.

Когда термосфера сжимается, уменьшающаяся плотность уменьшает атмосферное сопротивление — силу, которая тянет старые спутники и другой мусор вниз на высоты, где они сталкиваются с молекулами воздуха и сгорают.

Таким образом, меньшее сопротивление означает более длительный срок службы космического мусора, который будет засорять востребованные регионы на протяжении десятилетий и увеличит вероятность столкновений на орбите.

Команда провела моделирование того, как выбросы углерода влияют на верхнюю атмосферу и орбитальную динамику, чтобы оценить «спутниковую грузоподъемность» низкой околоземной орбиты. Эти моделирования предсказывают, что к 2100 году грузоподъемность самых популярных регионов может сократиться на 50–66% из-за воздействия парниковых газов.

«Наше поведение в отношении парниковых газов здесь, на Земле, за последние 100 лет повлияет на то, как мы будем эксплуатировать спутники в течение следующих 100 лет», — говорит автор исследования Ричард Линарес, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института (AeroAstro).

«Верхние слои атмосферы находятся в уязвимом состоянии, поскольку изменение климата нарушает статус-кво», — добавляет ведущий автор Уильям Паркер, аспирант AeroAstro.

«В то же время наблюдается колоссальный рост числа запущенных спутников, особенно для доставки широкополосного интернета из космоса. Если мы не будем тщательно управлять этой деятельностью и работать над сокращением выбросов, космос может стать слишком переполненным, что приведет к большему количеству столкновений и мусора».

Соавтором исследования является Мэтью Браун из Бирмингемского университета.

Падение неба

Термосфера естественным образом сжимается и расширяется каждые 11 лет в ответ на регулярный цикл активности Солнца. Когда активность Солнца низкая, Земля получает меньше радиации, а ее внешняя атмосфера временно охлаждается и сжимается, прежде чем снова расшириться во время солнечного максимума.

В 1990-х годах ученые задались вопросом, как термосфера может реагировать на парниковые газы. Их предварительное моделирование показало, что, хотя газы удерживают тепло в нижних слоях атмосферы, где мы испытываем глобальное потепление и погоду, те же самые газы излучают тепло на гораздо больших высотах, эффективно охлаждая термосферу. При таком охлаждении исследователи предсказали, что термосфера должна сжиматься, уменьшая плотность атмосферы на больших высотах.

За последнее десятилетие ученым удалось измерить изменения сопротивления спутников, что дало некоторые доказательства того, что термосфера сокращается в ответ на нечто большее, чем естественный 11-летний цикл Солнца.

«Небо буквально падает — просто со скоростью, измеряемой десятилетиями», — говорит Паркер. «И мы можем видеть это по тому, как меняется сопротивление наших спутников».

Команда MIT задалась вопросом, как этот ответ повлияет на количество спутников, которые могут безопасно работать на орбите Земли. Сегодня более 10 000 спутников дрейфуют по низкой околоземной орбите, которая описывает область пространства до 1200 миль или 2000 километров от поверхности Земли.

Эти спутники предоставляют основные услуги, включая интернет, связь, навигацию, прогнозирование погоды и банковское дело. Спутниковое население резко возросло за последние годы, что требует от операторов регулярного выполнения маневров по предотвращению столкновений для обеспечения безопасности. Любые столкновения, которые происходят, могут привести к образованию мусора, который остается на орбите в течение десятилетий или столетий, увеличивая вероятность последующих столкновений со спутниками, как старыми, так и новыми.

«За последние пять лет было запущено больше спутников, чем за предыдущие 60 лет вместе взятые», — говорит Паркер. «Одна из ключевых вещей, которую мы пытаемся понять, — является ли устойчивым путь, по которому мы идем сегодня».

Переполненные ракушки

В своем новом исследовании ученые смоделировали различные сценарии выбросов парниковых газов в течение следующего столетия, чтобы изучить влияние на плотность и сопротивление атмосферы.

Для каждой «оболочки» или интересующего диапазона высот они затем смоделировали орбитальную динамику и риск столкновения спутников на основе количества объектов внутри оболочки. Они использовали этот подход для определения «грузоподъемности» каждой оболочки — термина, который обычно используется в исследованиях экологии для описания количества особей, которых может поддерживать экосистема.

«Мы берем эту идею грузоподъемности и переносим ее на проблему устойчивости космоса, чтобы понять, сколько спутников может поддерживаться на низкой околоземной орбите», — объясняет Паркер.

Команда сравнила несколько сценариев: один, в котором концентрация парниковых газов остается на уровне 2000 года, и другие, в которых выбросы изменяются, согласно Общим социально-экономическим путям (SSP) Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Они обнаружили, что сценарии с продолжающимся ростом выбросов приведут к значительному снижению пропускной способности на всей низкой околоземной орбите.

В частности, команда подсчитала, что к концу этого столетия количество спутников, безопасно размещенных в пределах высот 200 и 1000 километров, может быть сокращено на 50–66% по сравнению со сценарием, в котором выбросы останутся на уровне 2000 года. Если пропускная способность спутников будет превышена, даже в локальном регионе, исследователи предсказывают, что регион испытает «неуправляемую нестабильность» или каскад столкновений, которые создадут так много мусора, что спутники больше не смогут безопасно там работать.

Их прогнозы охватывают период до 2100 года, но команда утверждает, что определенные слои атмосферы уже сегодня переполнены спутниками, особенно из недавних «мегасозвездий», таких как Starlink компании SpaceX, который включает в себя флотилии из тысяч небольших интернет-спутников.

«Мегаконстелляция — это новый тренд, и мы показываем, что из-за изменения климата у нас будет сниженная пропускная способность на орбите», — говорит Линарес. «А в локальных регионах мы близки к тому, чтобы приблизиться к этому значению пропускной способности сегодня».

«Мы полагаемся на атмосферу, чтобы очищать наш мусор. И если атмосфера меняется, то и окружающая среда мусора тоже изменится», — добавляет Паркер. «Мы показываем, что долгосрочные перспективы орбитального мусора критически зависят от сокращения наших выбросов парниковых газов».

Больше информации: William Parker, Greenhouse gases reduce the satellite carrying capacity of low Earth orbit, Nature Sustainability (2025). DOI: 10.1038/s41893-025-01512-0. www.nature.com/articles/s41893-025-01512-0

Источник: Massachusetts Institute of Technology