Экологические проблемы освоения космического пространства
Границей космоса принято считать условную высоту в 100 км над уровнем моря, по-научному называемую линией Кармана. Это, если можно так выразиться, уже не родина, но ещё и не чужбина: именно на этой высоте рождается один из самых нами любимых природных аттракционов — северное сияние, а внешняя часть земной атмосферы простирается ещё на десятки тысяч километров вверх. Достижение летательным аппаратом стокилометровой отметки и является главным критерием, по которому полёт определяют как космический.
Возможности, которые нам открывает космос • • • Телевидение, Сотовая связь, GPS навигация Техническое развитие Получение различных веществ, недоступных на Земле Космические путешествия (в том числе космический туризм) Исследование других планет ( и дальнейшая их колонизация) Создание Великой Человеческой Империи
Как влияет на нашу экологию освоение космического пространства? - Вредное воздействие продуктов сгорания ракетного топлива на атмосферу Земли; - Проблемы разрушения озонового слоя Земли и электронной компоненты в атмосфере; - Засорение космического пространства фрагментами ракетнокосмической техники; - Необходимость отчуждения под районы падения отделяющихся частей ракет-носителей по трассам их пусков больших участков земли
Космический мусор За годы космической эры на околоземных орбитах было зарегистрировано свыше 20 тысяч космических объектов искусственного происхождения размером более 10 см, за которыми возможно слежение с помощью современных наземных средств. Это отработавшие верхние ступени ракеты-носителя (РН) и разгонные блоки, отслужившие свой срок космические аппараты (КА), в том числе отделившиеся от них в космосе элементы конструкции типа переходников, крышек, пружинных толкателей, пироболтов. Сюда же относятся потерянные космонавтами при выходе в открытый космос перчатка, отвертка, кинокамера, а также многочисленные фрагменты, образовавшиеся в результате самопроизвольных взрывов или столкновений объектов. К сожалению, «космический мусор» не ограничивается только зарегистрированными объектами. Экстраполяция на основе существующих моделей показывает, что число фрагментов размером в несколько сантиметров, образующихся при разрушении объектов, составляет уже несколько десятков тысяч, а осколки в пределах 1 см и менее исчисляются сотнями тысяч и миллионами. Как показывают наблюдения, после случившихся самопроизвольных взрывов объектов осколки собираются в кольцо в достаточно узких полосах орбит, незначительно отличающихся углом наклона (обычно в пределах одного градуса и менее). Однако со временем плоскости орбит начинают расходиться. И в итоге обломки распределяются по всей сфере околоземного пространства: траектории их полетов охватывают Землю тонкой оболочкой, оставляя свободными лишь оба полюса.
Общая масса обломков в околоземном пространстве оценивается в 6300 тонн, скорость полёта может достигать 56 000 км/час. Европейское Космическое Агентство установило, что вокруг Земли сейчас вращается: • около 29 000 обломков размером более 10 см, • около 670 000 обломков от 1 до 10 см, • более 170 млн обломков от 1 мм до 1 см. За последние 50 лет было запущено около 6600 спутников, из них 3600 по прежнему вращаются вокруг Земли, а 1000 находится в активном режиме. (размеры Земли и объектов взяты в разном масштабе)
Насколько опасен этот мусор? В реальности околоземное пространство вовсе не представляет собой свалку, как это выглядит на картинках. Однако космические агентства разных стран всё-равно начеку, потому что стоимость запускаемых объектов очень высока, а потенциальный ущерб от потери 1000 действующих сейчас спутников в результате столкновений с мусором оценивается в 130 млрд долларов. Каждый год в атмосферу земли входит 100 -150 тонн обломков. Самым примечательным случаем за последние годы стало столкновение германского и американского спутников, чьи обломки упали в Бенгальский залив в 2011 году. Астронавтам на орбите также не стоит расслабляться (привет «Гравитации» ). В 2012 году МКС была переведена на более высокую орбиту для предотвращения столкновения с обломками от японского спутника. К счастью, повторение в жизни сценария по образу «Гравитации» маловероятно. Более того, инженеры предусмотрели немало средств защиты (МКС считается "наиболее защищённым космическим аппаратом в истории"). Однако скорость полёта и растущее количество обломков представляют всё большую угрозу. Учёные предупреждают о возможности синдрома Кесслера, когда на орбите окажется так много обломков, что риск уничтожения любого запускаемого аппарата станет очень высок. Подобная цепная реакция может, фактически, закрыть человечеству доступ в космос.
Что делать? Сегодня учёные ищут способы отслеживания обломков и очистки космического пространства. Одна из многих идей состоит в использовании специальных спутников, которые будут захватывать обломки и направлять к поверхности планеты. Также рассматривается вариант сбора ещё пригодных для использования обломков ради вторичного использования. Какой бы способ ни был выбран в будущем, одно несомненно: замусоривание ближайшего космического пространства обойдётся нам очень дорого. Если мы хотим по-прежнему иметь доступ за пределы своей планеты, иметь современные спутниковые средства связи, наблюдения и исследования, то нам необходимо уже начать изучать возможные способы избавления от орбитального мусора.
ВЛИЯНИЕ ПУСКОВ ТРАНСПОРТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ Для рассмотрения экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на атмосферу Земли в зависимости от высоты выбросов целесообразно разделить ее на три слоя (сферы) тропосферу, стратосферу и ионосферу. Тропосфера – нижняя, основная часть атмосферы простирается от поверхности Земли до высоты 16 – 18 км в тропиках, до 10 – 12 км в умеренных и до 8 – 10 км в полярных широтах. Характеризуется понижением температуры с высотой со средним вертикальным градиентом 6, 5 град/км и развитой турбулентностью, которая обеспечивает быстрое перемешивание загрязнений как по горизонтали, так и по вертикали. Стратосфера – слой атмосферы, находящийся над тропосферой и простирающийся до высоты 50 км. Со стратосферой практически совпадает озоносфера – слой с повышенной концентрацией озона, который надежно экранирует поверхность Земли и все живое от вредного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации. Максимальная плотность озона (число молекул в единице объема) наблюдается в средних широтах на высоте 24 – 26 км. Характерной особенностью стратосферы являются аэрозольные слои, оказывающие влияние на тепловой и динамический режимы атмосферы. Ионосфера простирается от высот 60 – 80 км до высоты около 400 км. В ней наблюдаются заряженные частицы (ионы и электроны), относительное содержание которых возрастает с высотой. Особенностью ионосферы является ее способность влиять на распространение радиоволн различных частотных диапазонов. С этой точки зрения важными характеристиками ионосферы следует считать концентрацию и эффективную частоту соударений свободных электронов.
Основными вредными факторами, влияющими на состояние окружающей среды при пусках РН, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы), уменьшение концентрации озона в стратосфере и свободных электронов в ионосфере. Рассмотрим это влияние на примере эксплуатации наиболее мощных ракет-носителей типа «Энергия» и «Шаттл» . О степени воздействия выбросов продуктов сгорания ракетных топлив на тропосферу можно судить в сравнении с другими источниками загрязнения.
• Двуокись углерода (СО 2), находящаяся в атмосфере, влияет на радиационный баланс Земли, увеличение ее содержания может привести к парниковому эффекту – повышению температуры воздуха и поверхности Земли. • По усредненным подсчетам одна автомашина потребляет в год 2 т бензина и выбрасывает в тропосферу 0, 7 т СО • Вода и водород вообще не оказывают вредного влияния на тропосферу. Молекулярный азот является естественной составляющей атмосферного воздуха, а выделяемый при пусках РН аммиак разбавляется окружающим воздухом, и его концентрация быстро уменьшается до предельно допустимой. • К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности «Шаттла » .
В отличие от низких слоев атмосферы, подвергающихся сильным турбулентным процессам, в стратосфере на высотах 15 – 50 км состояние газового состава практически неизменно, поэтому любое загрязнение этих слоев будет носить долговременный характер. В частности, на озонный слой влияют продукты сгорания РН. Они не соизмеримы по своей массе с промышленными загрязнениями, но в отличие от них выбрасываются ракетами-носителями в широком диапазоне высот атмосферы. И практически при 'полете любой РН в озонном слое возникает «окно» , которое со временем затягивается. Озон разрушается в результате воздействия водяных паров, содержащихся в значительных количествах в продуктах сгорания всех жидкостных ракетных двигателей, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. Размеры таких «окон» возрастают, если в составе РН используются ракетные двигатели на твердом топливе. Кроме аналогичного образования окислов азота (из воздуха), в их реактивных струях содержится большое количество хлористого водорода, который отнесен Венской конвенцией об охране озонного слоя (март 1985 г. ) к особо активным озоноразрушающим веществам.
В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16 – 24 км уменьшается на 15 – 20% через 2 ч, а затем происходит постепенное затягивание образовавшегося «туннеля» . Облако ракетных выбросов в стратосфере через неделю достигает размера нескольких сотен километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24 – 30 км примерно через 24 дня после старта. Одновременно в тропосфере и верхней стратосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 км) снизится через 24 дня на 1, 7% или в массовом отношении уменьшится на 27 тыс. т.
Около 8 запусков в месяц
При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракет-носителей, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, является вода. Учитывая отсутствие воды на больших высотах, это необычное явление можно также расценивать как фактор загрязнения природной среды, таящий в себе потенциальную возможность нарушения естественного равновесия. Действительно, на высотах 70 – 90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды быстро конденсируются и смерзаются в кристаллики льда. В результате могут возникнуть искусственные облака, подобные серебристым, образующим самый верхний облачный покров в атмосфере Земли. На еще больших вы сотах в ионосфере, как уже говорилось, наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой, в результате чего и образуются зоны с пониженной плотностью электронов, которые сопровождаются различного рода аномалиями в области свечения ионосферы, распространения радиоволн и пр.
Районы падения по трассам пусков ракет-носителей Одним из факторов вредного воздействия ракет-носителей на окружающую среду является падение отработавших ступеней (ракетных блоков) и других отделяющихся элементов конструкции на территории, расположенные вдоль трасс пусков. Последовательно отделяются после выработки топлива стартовые ускорители, ступени, сбрасываются головные обтекатели, хвостовые (переходные) отсеки последующих ступеней и др. На местности на расстояниях от точки старта до ~800 км при двухступенчатом и до ~2500 км при трехступенчатом выведении образуются «пятна» площадью 1500 – 5000 кв. км, «усеянные» точками падения. Образуются, так называемые «Мёртвые зоны» общей площадью в миллионы кв. км, которые должны быть признаны областями вредного воздействия на окружающую среду.
При падении обломков РН возникает: • Загрязнение почвы и водоемов кусками металла • Загрязнение почвы и водоемов токсичными веществами • Заражение людей токсическими веществами, попадающими в их организм через воду и пищу. • Непосредственная опасность для жизни людей при внезапном разрушении РН • Нанесение ущерба имуществу при попадании осколков РН
Гептил Компонент высококипящего (имеющего температуру кипения выше 0 °C) ракетного топлива. Широко применяется в ракетной технике. В частности, на российской РН «Протон» , российско-украинской РН «Космос» , украинских РН «Циклон» и «Днепр» ; американских — семейства «Титан» ; французских — семейства «Ариан» ; в двигательных установках пилотируемых кораблей, спутников, орбитальных и межпланетных станций, а также некоторых баллистических ракет. • Токсин • Канцероген • Легко воспламеняется В отличие от известковых и глинисто-песчаных почв Казахстана, где находится Байконур, болотистые почвы территорий Архангельской области (космодром Плесецк) и Республики Коми «способствуют длительной сохранности гептила в природных средах» . В то же время заболоченность и обилие воды создают условия для переноса гептила на значительные расстояния.
Способы решения проблемы ˃ Первое – переход на двухступенчатые схемы РН с максимальным сокращением количества сбрасываемых в полете отделяющихся частей ˃ Второе – сокращение размеров районов падения по трассе пуска за счет специальных технических средств уменьшения рассеивания (СУР). ˃ Третье – сокращение количества районов падения отработавших ступеней при пусках по разным трассам за счет специальных технических средств управляемого возвращения (СУВ) либо пространственного маневра на участке работы второй ступени СУВ могут быть построены аналогично аэродинамическим или реактивным СУР с расширением их маневренных возможностей не только по дальности полета, но и по азимуту. Также необходимо совершать работы по очистке территории от осколков и токсических веществ. В рамках двухступенчатого носителя необходимым условием полного исключения районов падения (приземления) по трассе выведения, очевидно, является возврат первой ступени к месту старта на специальную площадку.
Скачать презентацию Экологические проблемы освоения космического пространства Границей космоса
экология.pptx