Учёные впервые проследили путь токсичного шлейфа от сгоревшего в атмосфере космического мусора

Впервые в истории учёным удалось практически в режиме реального времени наблюдать за облаком загрязняющих веществ, образовавшимся при сгорании космического мусора в атмосфере Земли. Это прорывное измерение поможет исследователям химии атмосферы распутать сложные химические реакции, вызванные токсичными выбросами при входе обломков в плотные слои атмосферы, что может иметь разрушительные последствия для атмосферы и климата нашей планеты.

Облако лития было зафиксировано 20 февраля 2025 года после того, как верхняя ступень ракеты SpaceX Falcon 9 упала над Европой, разбросав обломки по территории Польши. Обнаружение провела команда исследователей из Лейбницкого института физики атмосферы в Германии с помощью лидара — импульсного лазерного прибора, который возбуждает определенные химические элементы в зависимости от частоты света.

Робин Винг, один из авторов нового исследования, рассказал, что исследователи поспешили провести измерения, увидев новости о падении ступени ракеты над Европой, которое вызвало зрелищный огненный шар, видимый из нескольких стран.

«Мы подумали, что это хорошая возможность, поэтому проверили направление ветра, и, так как оно оказалось благоприятным, мы запустили лидар и провели измерения следующей ночью», — сказал Винг. — «Когда мы обработали данные, то увидели очень сильный сигнал — десятикратное увеличение плотности лития — на нужной высоте и в нужное время».

Винг пояснил, что большая часть ракеты испарилась над побережьем Ирландии на высоте около 96 километров. Затем потребовалось около 20 часов, чтобы шлейф загрязняющих веществ был перенесен ветрами через Западную Европу в Германию. Сами же обломки преодолели расстояние в 1500 км от Ирландии до западной Польши примерно за две с половиной минуты.

Чтобы подтвердить, что шлейф действительно образовался в результате входа Falcon 9 в атмосферу, исследователи провели обратный расчет, используя глобальную модель циркуляции атмосферы Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Модель показала, что шлейф в нужное время находился на пересечении с траекторией входа обломков Falcon 9.

Ученые сосредоточились на литии, поскольку в естественных условиях он присутствует в атмосфере в ничтожно малых количествах.

«Мы считаем, что литий является хорошим маркером для [антропогенного] входа в атмосферу, — отметил Винг. — В природных метеоритах лития очень мало. Мы оцениваем его глобальное поступление где-то порядка 80 граммов в день. Но в одной ракете Falcon 9 корпус из алюминиево-литиевого сплава плюс литиевые батареи содержат около 30 килограммов лития».

В последние годы проблема входа космического мусора в атмосферу вызывает растущую озабоченность. Поскольку за последнее десятилетие количество спутников на орбите резко возросло, пропорционально увеличилось и количество космического хлама, сгорающего в земной атмосфере. По оценкам Европейского космического агентства, ежедневно на Землю падает более трех фрагментов космического мусора — старые спутники, отработанные ступени ракет и всевозможные обломки.

За год в атмосфере сгорают сотни тонн космического мусора, высвобождая химические вещества, которые не присутствуют там естественным образом. Общее количество сгорающих обломков все еще составляет лишь малую долю от количества естественных метеоритов, с которыми сталкивается наша планета. Но ученые полагают, что в отличие от природных космических камней, загрязнение от космического мусора потенциально способно повредить защитный озоновый слой атмосферы и изменить ее тепловой баланс.

Винг добавил, что о влиянии лития на атмосферные процессы практически ничего не известно, и большинство научных дискуссий до сих пор были сосредоточены на алюминии — самом распространенном металле в корпусах космических аппаратов. Известно, что алюминий вступает в реакцию с кислородом во время сгорания в атмосфере, образуя оксид алюминия — порошкообразное вещество, которое, как известно, ускоряет разрушение озонового слоя и изменяет отражательную способность атмосферы, что приводит к потенциальным изменениям температуры на Земле.

«Алюминий измерить довольно сложно, — говорит Винг. — Он очень быстро реагирует с кислородом, в течение микросекунды. Поэтому в тот момент, когда алюминий испаряется из корпуса ракеты, он связывается с первым же встретившимся атомом кислорода».

В будущем исследователи планируют с помощью своих лидарных установок попытаться измерить концентрацию оксида алюминия после подобных входов в атмосферу.

«Это исследование представляет собой важную веху в наблюдении за влиянием космической деятельности на атмосферу, особенно учитывая, что разрушающий вход в атмосферу в настоящее время является единственным жизнеспособным и масштабируемым методом очистки все более перегруженных орбит», — прокомментировала исследование Элоиза Марэ, профессор химии атмосферы и качества воздуха в Университетском колледже Лондона и ведущий исследователь воздействия загрязнения от космического мусора.

«Выводы этого исследования и, надеемся, подобных последующих и смежных исследований, имеют решающее значение для улучшения моделей, так как мы полагаемся на них для оценки глобальных экологических последствий входа космических аппаратов в атмосферу».

Ученые годами строили догадки о возможных последствиях увеличения количества сгорающего в атмосфере космического мусора. Исследование 2023 года, основанное на измерениях с высотных самолетов, подтвердило, что около десяти процентов аэрозольных частиц в стратосфере содержат частицы металлов от сгоревших спутников. Новая работа впервые связывает конкретный случай входа с видимым шлейфом атмосферного загрязнения.

«Впервые мы смогли напрямую показать, что у нас есть возможность отследить и наблюдать шлейф загрязнения от космического мусора до конкретного события входа в атмосферу», — сказал Винг. — «Это своего рода прорыв как в наблюдательной, так и в вычислительной части. Раньше такого никто не делал».

Команда из Лейбница продолжит свои наблюдения в будущем. После успешного обнаружения следа от входа Falcon 9 в феврале 2025 года они создали новый лидарный прибор, который позволит им одновременно измерять следы множества металлических соединений.

«Мы будем измерять литий (маркер космического мусора), натрий (маркер естественных метеоритов), а также сканировать все различные элементы, присутствующие в космических аппаратах, такие как медь, титан, кремний, золото, серебро или свинец, — пояснил Винг. — Чтобы мы могли реально попытаться оценить, что попадает в атмосферу и какая часть этого имеет антропогенное происхождение. Таким образом, мы сможем дать подсказку нашим коллегам, занимающимся моделированием атмосферы и химических процессов, чтобы они могли сказать, какое влияние вход космического мусора потенциально может оказывать на стратосферу».