Германские ученые впервые зафиксировали загрязнение верхних слоев атмосферы Земли при сгорании в ней ракетной ступени. Сход с орбиты второй ступени ракеты Falcon 9 увеличил в 10 раз содержание лития в стратосфере, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Communications Earth & Environment.
Увеличение частоты космических пусков и числа спутников на орбите давно вызывают беспокойство ученых не только из-за лавинообразного заполнения околоземного пространства, которое грозит неконтролируемыми столкновениями и увеличением объема космического мусора, но и опасностью для людей и наземных объектов при падении на Землю отслуживших аппаратов и ракетных ступеней. Планируется, что одна только группировка спутников связи Starlink будет состоять из 40 тыс. аппаратов массой от 305 до 960 кг — общая масса выведенных спутников превысит 10 тыс. тонн.
Учитывая, что срок службы спутников будет составлять пять лет, в какой-то момент аппараты группировки будут сходить с орбиты ежедневно. Расчеты говорят, что в ближайшие десятилетия масса входящих в атмосферу и сгорающих рукотворных объектов превысит 40% от массы выпадающего на Землю метеоритного вещества.
Однако учеными мало исследовался еще один аспект — загрязнение верхних слоев атмосферы от тех же спутников и ступеней, иногда полностью, иногда частично, сгорающих в ней. Это грозит труднопрогнозируемыми последствиями, так как в отличие от метеоритов, в состав этих объектов входят алюминиевые сплавы, композитные структуры и редкоземельные элементы, почти не встречающиеся в атмосфере на больших высотах.
Работа лазерного лидара
Eframir Franco-Diaz
В ночь с 19 на 20 февраля 2025 года ученые в Кюлунгсборне (Германия) вели наблюдения за состоянием верхних слоев атмосферы с помощью специального прибора — лидара, посылающего лазерный луч в небо и анализирующего рассеянные на атомах фотоны при помощи микроскопа на Земле. В 1:20 ночи ученые заметили, что на высоте 94-97 километров над уровнем моря вдруг резко, примерно в 10 раз выросла концентрация атомов лития. Повышенная концентрация составляла порядка 3 атомов на кубический сантиметр и наблюдалась 40 мин — все время работы лидара. Известно, что литий часто присутствует в сплавах в составе космической техники и почти отсутствует в метеоритах, а в верхних слоях атмосферы обнаруживается в следовых количествах, поэтому этот элемент был выбран для возможного контроля схода космических объектов в атмосферу.
Вычислить источник загрязнения ученым помог анализ атмосферных течений и ветров над севером Германии. Они показали, что источник не мог быть природным, а скорее всего, был вызван неконтролируемым сходом с орбиты второй ступени ракеты Falcon 9, которая вошла в верхние слои атмосферы над Атлантическим океаном к западу от Ирландии примерно 20 часами ранее. Яркий след ее наблюдался в небе над Европой, а обгоревший топливный бак был позднее найден близ Познани в Польше.
Ученые считают, что впервые инструментальными средствами смогли зафиксировать загрязнение атмосферы металлами, которые содержатся в сплавах сгорающей ракетной ступени. Расчеты показывают, что на всю планету в составе метеоритного вещества ежедневно выпадает не более 80 грамм лития. При этом вторая ступень только одной ракеты Falcon 9 содержит 30 кг лития в составе алюминиевого сплава AA 2198 в стенках баков, что делает литий важным показателем, позволяющим отслеживать сходы с орбиты космического мусора.
«Это исследование впервые позволило измерить загрязнение верхних слоев атмосферы при входе космических обломков и стало первым доказательством того, что абляция космических обломков может быть обнаружена наземным лидаром», — говорится в исследовании.
Ученые отмечают, что выявленные загрязнения металлами и их оксидами могут иметь непредсказуемые последствия для атмосферы в плане нарушения озонового слоя и формирования аэрозольных частиц. «Перед публикацией этой рукописи мы обратились в SpaceX, послали им все исследование, выводы нашего анализа, собранные данные, попросив о комментариях и исправлениях. На момент принятия статьи никакого ответа не получено», — говорится в работе.