Megakonstelacje satelitów zagrażają warstwie ozonowej

Warstwa ozonowa w stratosferze chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, które może uszkadzać materiał genetyczny. W ostatnich latach naukowcy informowali, że dziura ozonowa jest najmniejsza od czasów jej odkrycia. Jednak nieoczekiwany wzrost tlenków glinu, które powstają po deorbitacji satelitów może zagrażać regeneracji warstwy ozonowej.

Według Światowego Forum Ekonomicznego obecnie wokół Ziemi krąży ponad 6000 satelitów, ale tylko 60 proc. z nich jest nadal w użyciu. Jednak przemysł kosmiczny przyspiesza, dlatego należy spodziewać się, że w nadchodzących latach znacznie wzrośnie ilość satelitów wystrzeliwanych każdego roku w kosmos. Wystarczy tu wspomnieć o konstelacji satelitów Starlink obsługiwanych przez SpaceX, które mają dostarczać szerokopasmowy internet na całym świecie. W ramach projektu na orbitę już trafiło tysiące satelitów, a w kolejnych latach ma ich tam znaleźć się znacznie więcej. Każdy z nich został zaprojektowany tak, by wytrzymał na orbicie pięć lat. Następnie ma nastąpić deorbitacja.

Gdy następuje deorbitacja satelity, wchodzi on ponownie w atmosferę Ziemi. Mniejsze elementy zwykle topią się i ostatecznie odparowują. Ale aluminium użyte do budowy spalając się w atmosferze tworzy tlenek glinu, który pozostaje w górnych warstwach atmosfery przez lata. To mało zbadany temat. Nie wiemy do końca, jaki będzie to miało wpływ, ale naukowcy wskazują, że cząsteczki tlenku glinu niszczą warstwę ozonową Ziemi.

Nowe badania, które ukazały się w czasopiśmie "Geophysical Research Letters" wykazały, że stężenie tlenków glinu wzrosło w latach 2016-2022 aż ośmiokrotnie i będzie nadal wzrastać, bo liczba satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej gwałtownie rośnie.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zubożenie warstwy ozonowej wiąże się z emisją przez człowieka freonów. Freony (CFC, od ang. Chlorofluorocarbons – Chlorofluorowęglowodory – grupa chloro i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych) są długowiecznymi związkami chemicznymi, które wznoszą się do stratosfery, gdzie są rozpraszane przez promieniowanie ultrafioletowe, uwalniając atomy chloru, które następnie niszczą cząsteczki ozonu.

Freony były masowo używane w przemyśle, aż do 1987 roku, kiedy to podpisano międzynarodowe porozumienie dotyczące przeciwdziałania dziurze ozonowej – Protokół montrealski. Doprowadziło to do zakazu używania w przemyśle wielu chemikaliów, które mają szkodliwy wpływ na warstwę ozonową.

Dziura ozonowa nad biegunem południowym pojawia się na przełomie września i października, gdy na półkuli południowej rozpoczyna się wiosna. Pierwsze promienie słoneczne po zimie polarnej powodują uwalnianie licznych atomów chloru, które niszczą ozon zubażając całą warstwę. Reakcje te powstają na powierzchni chmur, które tworzą się w zimnych warstwach stratosferycznych, prowadząc ostatecznie do niekontrolowanych reakcji niszczących cząsteczki ozonu.

Protokół montrealski odniósł sukces, skutecznie zmniejszając dziurę ozonową nad Antarktydą. Szacunki ekspertów z ONZ wskazywały, że warstwa ozonowa zregeneruje się do około 2060 roku. Ale nieoczekiwany wzrost tlenków glinu w stratosferze może wstrzymać regenerację warstwy ozonowej.

Zapotrzebowanie na dostęp do internetu powoduje szybki wzrost liczby satelitów komunikacyjnych. SpaceX jest liderem w tym przedsięwzięciu. Ma pozwolenie na wyniesienie na orbitę 12 tys. satelitów Starlink, ale w planach jest ich znacznie więcej. Do tego inne firmy chcą zbudować podobne konstelacje, które również mają liczyć tysiące satelitów.

Satelity internetowe na niskiej orbicie okołoziemskiej mają zakładany czas pracy do pięciu lat. Po tym czasie satelita wchodzi w atmosferę, a w jego miejsce wynoszony jest na orbitę kolejny.

Powstały podczas deorbitacji tlenek glinu wywołuje reakcje chemiczne, które niszczą chroniący Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem UV ozon stratosferyczny. Tlenki glinu nie reagują chemicznie z cząsteczkami ozonu, ale wyzwalają destrukcyjne reakcje między ozonem a chlorem, które niszczą warstwę ozonową. A ponieważ tlenki glinu nie są niszczone w tych procesach, mogą pozostawać w stratosferze przez dziesięciolecia.

Do tej pory mało uwagi poświęcono problemowi zanieczyszczeń powstających po spalaniu w atmosferze satelitów. Wcześniejsze badania koncentrowały się głównie na konsekwencjach wystrzeliwania rakiety nośnej w kosmos, takich jak uwalnianie paliwa rakietowego. Nowe badanie przeprowadzone przez zespół badawczy z University of Southern California jest pierwszym realistycznym oszacowaniem rozmiaru tego długotrwałego zanieczyszczenia w górnych warstwach atmosfery.

- Dopiero w ostatnich latach ludzie zaczęli myśleć, że może to stać się problemem – powiedział Joseph Wang z USC, współautor nowego badania. - Byliśmy jednym z pierwszych zespołów, który przyjrzał się, jakie mogą być tego skutki – dodał.

We wcześniejszych badaniach do oszacowania zanieczyszczenia powodowanego przez deorbitację satelitów wykorzystywano analizy mikrometeoroidów powstających w tym procesie, bo zbieranie danych z płonącego statku kosmicznego jest niemożliwe. Ale mikrometeoroidy zawierają bardzo mało aluminium, które stanowi od 15 proc. do 40 proc. masy większości satelitów.

Aby uzyskać dokładniejsze dane naukowcy stworzyli model opierający się na składzie chemicznym materiałów, z których zbudowane są satelity oraz tym, jak oddziałują one na poziomie molekularnym i atomowym. Wyniki pozwoliły naukowcom zrozumieć, w jaki sposób materiały te zmieniają się przy różnych nakładach energii.

Dzięki nowemu modelowi naukowcy odkryli, że w 2022 roku deorbitacja satelitów zwiększyła ilość aluminium w atmosferze o 29,5 proc. w stosunku do naturalnego poziomu. Modelowanie wykazało też, że typowy satelita o masie 250 kilogramów, którego 30 proc. masy stanowi aluminium, wygeneruje około 30 kilogramów drobinek tlenku glinu (o rozmiarze 1-100 nanometrów) podczas ponownego wejścia w atmosferę. Większość tych cząstek powstaje w mezosferze, 50-85 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Biorąc pod uwagę ich wielkość, naukowcy ustalili, że tlenek glinu potrzebuje do 30 lat, żeby opaść na wysokości stratosferyczne, gdzie znajduje się 90 proc. ozonu Ziemi.

Naukowcy oszacowali też, że do czasu ukończenia obecnie planowanych konstelacji satelitów, każdego roku na Ziemię spadnie 912 ton aluminium. Spowoduje to uwolnienie do atmosfery około 360 ton tlenków glinu rocznie, co stanowi wzrost o 646 proc. w stosunku do normalnego poziomu.

Źródło: American Geophysical Union