Выбросы парниковых газов к концу века сделают непригодными околоземные орбиты для более, чем половины спутников. К такому выводу пришли ученые, которые смоделировали рост объема космического мусора на фоне охлаждения верхних слоев атмосферы. Их исследовании опубликовано в журнале Nature Sustainability.

Исторически большая часть научных исследований, связанных с воздействием парниковых газов, касается тропосферы, изменения которой влияют на все аспекты хозяйственной деятельности человека. Ученые под руководством Мэтью Брауна из Университета Брауна решили спрогнозировать влияние парниковых газов на состояние термосферы — части атмосферы на высотах между 90 и 800 км. В этой области на орбитах от 300 до 1000 км находится свыше 8 тыс. спутников. Свойства термосферы, меняются, например, из-за вспышек на Солнце, и влияют на движение как действующих аппаратов, так и на космический мусор.

В нижних слоях атмосферы скапливающиеся парниковые газы удерживают инфракрасное излучение от поверхности Земли — в этом заключается парниковый эффект. Однако этот же эффект лишает тепла внешнюю часть атмосферы, за счет чего ее плотность падает, и она менее интенсивно тормозит спутники.

Без такого тормозящего воздействия спутники могут дольше оставаться на своих орбитах, сталкиваться, и порождать все больше обломков, оставляя все меньше возможностей для запуска новых космических аппаратов.

Ученые провели численные расчеты и предсказали, как будут влиять дальнейшие выбросы углекислого газа на состояние и динамику верхних слоев атмосферы, введя параметр мгновенной несущей способности Кесслера — способности определенного числа спутников находиться между определенными орбитами без увеличения числа обломков. Подобные параметры обычно используются в экологии для оценки числа особей, способных существовать в определенной экологической нише.

Снижение несущей способности при различных сценариях выбросов

Для каждого диапазона орбит ученые смоделировали орбитальную динамику спутников и вероятность их столкновения в зависимости от их числа. При этом ученые сравнили несколько сценариев: один, при котором выбросы углекислого газа оставались бы на уровне 2000 года, и другие более пессимистичные сценарии.

Они подсчитали, что в худшем случае уже к концу XXI века произойдет значительное снижение несущей способности термосферы. «К 2100 году, если рассматривать самый худший сценарий, несущая способность сократится на 50% при солнечных максимумах, и на 66% — при солнечных минимумах, — говорится в исследовании. — В максимально используемом диапазоне высот 400-1000 км наихудший сценарий приведет к снижению несущей способности на 60% в солнечный максимум и на 82% — в солнечный минимум».

Если несущая способность, даже в локальной области, будет превышена, прогнозируют ученые, это приведет к «неудержимой нестабильности» — каскаду неконтролируемых столкновений, порождающих столько обломков, что спутники уже не смогут безопасно функционировать на орбитах.

Прогноз ученых сделан до 2100 года, однако, по их данным, определенные диапазоны орбиты оказались уже переполненными в наши дни, отчасти — благодаря группировкам спутников, таких, как Starlink компании SpaceX, состоящей из тысяч небольших аппаратов интернет-связи.

«Мегагруппировки — это новый тренд , и мы показали, что из-за изменения климата мы движемся к снижению несущей способности орбит, — считает автор работы Ричард Линарес из MIT. — А в некоторых областях мы близки к переполнению уже сегодня».