166870 (Экологическая опасность космической деятельности)

Экологическая опасность космической деятельности

В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин

В российских и якутских средствах массовой информации немало писалось об экологических последствиях падения отделяющихся частей ракет-носителей на Алтае, в Якутии и Архангельской области. Внимание общественности в США было привлечено в 1997 г. к проблеме выведения в космическое пространство плутониевых источников энергии. В научных журналах и на конференциях живо обсуждается проблема уничтожения озонового слоя в результате запусков космических аппаратов. Однако до сих пор не было сводки всех известных данных по влиянию космической деятельности на ближний космос, атмосферу и поверхность Земли. Как и в атомной индустрии, импульс к развитию космической индустрии был дан (и постоянно поддерживается) именно военным использованием космоса. Представленные ниже данные приведены в аналитическом обзоре Центра экологической политики России. Материал аналитического обзора показывает, что космическая деятельность, в том виде и объемах, в каких она осуществляется в настоящее время, уже привела к нарушению природных характеристик ближнего космоса и в частности верхней атмосферы, в том числе изменению энергетического баланса и химического состава. Последствия этих изменений для биосферы и человека еще не вполне ясны, но, по всей видимости, они не будут благоприятными.

Первый искусственный спутник Земли (ИСЗ) массой 83,6 кг был запущен на околоземную орбиту 4 октября 1957 г, с применением ракеты носителя (РН). Именно этим запуском ознаменовано формальное начало Космической эры, но также реальное и последовательное воздействие ракетно-космической техники (РКТ) на Землю и околоземное космическое пространство.

Почему дату запуска первого космического спутника Земли приходится воспринимать, как формальное начало космической эры. Да потому, что фактически уже в начале 1956 года советская "Ракета Р-5М впервые в мире пронесла через космос головную часть с атомным зарядом. Пролетев положенные 1200 км после старта (с полигона в Капустином Яре, Астраханская область СССР, — С. К.), головка без разрушения дошла до Земли в районе Аральских Каракумов. Сработал ударный взрыватель и наземный ядерный взрыв ознаменовал в истории человечества начало ракетно-ядерной эры.

В основе космической деятельности лежали интересы обеспечения военно-политической безопасности. При этом последствия ядерных взрывов надолго заслонили огромной важности проблему сверхтоксичности гептила и других КРТ. Показательно, что именно боевые стратегические ракеты были использованы для выведения в космос первого ИСЗ (1957 г.) и первого человека (1961 г.).

Таким образом, исследуя экологическую опасность КД, следует помнить о военном происхождении РКТ, которая в значительной мере является порождением "холодной войны", приведшей к возникновению гремучего ядерно-космического продукта современной технократической цивилизации, до сих пор висящий дамокловым мечом над человечеством и всей биосферой Земли.

Между тем, нельзя не восхищаться достижениями в освоении космического пространства: выходом в открытый космос, экспедициями на Луну, созданием орбитальных станций, спутниковых систем навигации и связи. Результатом космических исследований явился ряд крупных научных открытий, таких как обнаружение радиационных поясов вокруг Земли, определение газового состава и других основных характеристик атмосфер Венеры и Марса и многого другого. На повестке дня - создание космической производственной инфраструктуры вблизи Земли и на Луне, новых гигантских платформ и глобальных систем. Ныне в сфере космической деятельности (КД) занято несколько миллионов человек. Мировой рынок космических товаров и услуг оценивается в сотни миллиардов долларов США и устойчиво растет на 5 % в год. Вместе с тем, достижения и последствия КД имеют и обратную, темную сторону - плату за прогресс. Она определяется спецификой исследования и освоения околоземного космического пространства (ОКП), которое, в отличие от аналогичного процесса в отношении всех других природных сред, состоит в необходимости использования очень мощных технических средств, каковыми являются космические ракеты. А между тем, посредством столь мощных средств изучается и осваивается наиболее слабая и уязвимая из всех природных сред. Потому что содержание вещества и энергетика процессов в ОКП на много порядков меньше, чем в приземной атмосфере и тем более гидросфере или литосфере. Из этого взаимодействия - наиболее мощных технических средств с наиболее слабой из известных нам природных сред и проистекает главная экологическая опасность космической деятельности. За сравнительно короткий "космический век" мы достигли такого уровня антропогенного воздействия на ОКП, которого не удалось достичь в отношении других природных сред за несколько столетий научно-технического прогресса.

Одним из негативных последствий космической активности является загрязнение ближнего космоса "космическим мусором". Так во время полета американского корабля "Спейс Шаттл" в его иллюминатор попала частица мусора и оставила воронку диаметром 2,4 мм и глубиной 0,63 мм, повредив стекло в пределах круга диаметром 4 мм. Исследование показало, что повреждение вызвано частицей краски величиной с крупинку соли, т.е. диаметром около 0,2 мм встретившаяся с иллюминатором с относительной скоростью 6 км/с.

Исследование 2 кв. м теплозащитного покрытия и 0,5 кв. м алюминиевых жалюзи спутника "Solar Мах", доставленных на Землю космонавтами "Спейс Шаттл", показали, что за четыре с лишним года их пребывания в космосе на них образовалось 1910 сквозных отверстий и выбоин диаметром от 40 до 300 мкм, т. е. около 8 отверстий и выбоин на 100 см2. Из этого следует, что, например, даже спичечный коробок в космосе испытал бы за это время примерно один удар. Энергия мусора вследствие высокой скорости движения его частиц, более чем на порядок превосходит тепловую энергию всех молекул верхней атмосферы рассматриваемой области. Однако благодаря большому, порядка 70 лет, времени жизни частиц мусора в ОК, эта энергия передается атмосфере весьма медленно по сравнению с энергией солнечного ультрафиолетового излучения. Скорость передачи этой энергии возрастает по мере измельчения мусора результате взаимных столкновений. С ростом массы мусора, вероятность столкновений растет и увеличивается передача энергии мусора верхней атмосфере.

Подводя итоги изложенному аналитический обзор приводит следующие выводы

1. Космический мусор накапливается в ОКП в обширной области высот от 400 км до 2000 км и уже в настоящее время его масса сравнима с массой всего вещества ОКП выше 400 км

2. На протяжении последних тридцати лет наблюдается постоянный рост космического мусора, и в настоящее время мы имеем более 8000 постоянно наблюдаемых каталогизированных объектов, поперечный размер которых превышает 10 см, около 300 000 осколков размером более 1 см, возможность наблюдения которых появилась недавно, и порядка сотни миллионов более мелких частиц.

3. При сохранении современных темпов космической деятельности и технологий по самым скромным прогнозам ожидается удвоение космического мусора к концу следующего столетия, что вплотную приблизит содержание мусора к уровню лавинообразного его размножения из-за взаимных столкновений частиц,

4. При ожидаемом удвоении космического мусора, его кинетическая энергия превзойдет тепловую энергию газа ОКП, в той его части, где мусор существует, и при условии начала лавинообразного размножения эта энергия будет эффективно передаваться окружающем газу.

Между тем, среднее время жизни в верхней атмосфере частиц космического мусора составляет порядка 100 лет. В таком случае запасенная мусором энергия будет передаваться верхней атмосфере крайне медленно, несравнимо медленней, чем энергия солнечного, ультрафиолетового излучения. Однако такая ситуация будет иметь место, только если основная масса мусора сосредоточена в крупных фрагментах. Всякое их дробление сразу сокращает среднее время жизни частиц и увеличивает эффективность передачи энергии окружающему газу верхней атмосферы. В случае лавинообразного размножения мусора из-за взаимных столкновений, эта эффективность станет очень велика и тогда среда практически безвозвратно утратит свои естественные свойства.

Необходимо отметить, что процессы размножения частиц космического мусора известны плохо. Они должны разрушаться и под действием ультрафиолетового излучения и под действием такого мощного окислителя, как атомарный кислород, являющийся основной компонентой верхней атмосферы. Этот процесс может приводить к изменению химического состава верхней атмосферы, появлению совершенно чуждых ей элементов, возможные последствия чего пока трудно предсказать. Можно быть лишь уверенным в том, что по мере изучения число и спектр вскрываемых опасностей будет расти.

К сказанному добавим, что выброс пылевых частиц ракетными двигателями в стратосфере оказывает влияние на озоновый слой благодаря усилению гетерогенного цикла разрушения озона. Однако в настоящее время гетерогенная химия озона развита явно недостаточно и большинство исследователей считают, что в разрушении озона в результате ракетных пусков основной причиной являются выбросы хлорных и азотных соединений.

В целом следует признать, что экологический аспект является доминирующим для оценки предельного пылевого загрязнения ОКП. Наиболее четким индикатором этого загрязнения могут служить серебристые облака, поскольку главным источником аэрозолей, являющихся центрами кристаллизации для частиц серебристых облаков, служит практически весь осаждающийся космический мусор, то его сокращение и будет определять степень пылевого загрязнения. Таким образом, следует признать, что современный уровень космического мусора заведомо превосходит допустимые безопасные пределы, требуется срочная его стабилизация в ближайшее время и понижение - в дальнейшем. Между тем, требования по снижению его уровня означают необходимость существенной перестройки всей космической деятельности: исключение взрывов, сокращение числа пусков, увеличение срока службы космических аппаратов, создание безотходных технологий их выведения на орбиты.

Радиоактивное загрязнение ОКП связано с широким использованием в космонавтике ядерных энергетических источников. Наиболее широко ядерные реакторы использовались на отечественных спутниках серии "Космос". Эти реакторы работали на сплавах или соединениях урана: U-238 с 90%-ным и более обогащением по U-235. Основным способом обеспечения радиационной безопасности являлась консервация ядерных энергетических установок (точнее, активной зоны) на достаточно высоких орбитах, где время жизни таких объектов много больше времени распада осколков деления остановленного ядерного реактора до безопасного уровня. К таким орбитам можно отнести все круговые орбиты, расположенные выше 700 км.

В настоящее время в ОКП на высотах 800-1000 км находится около 50 объектов с радиоактивными фрагментами. США в гораздо меньшей степени использовали ядерные энергетические установки на космических аппаратах. Всего американцами было запущено 12 таких спутников, нами - 36.

Система радиационной безопасности предусматривает остановку реактора и перевод его на достаточно высокую орбиту, где время жизни подобного объекта заведомо превышает время распада осколков деления продуктов остановленного ядерного реактора. В случае отказа системы увода ЯЭУ или космического аппарата вместе с ЯЭУ на орбиту консервации, предусмотрено диспергирование ядерного реактора. Соответствующая система включается до начала разогрева и аэродинамического разрушения конструкции ЯЭУ и космического аппарата, связанного с входом в плотные слои атмосферы. Надежность системы радиационной безопасности оценивается на уровне 10-4, что заведомо хуже принятых требований по безопасности в отраслях промышленности 10-5 — 10-6.

Работающий ядерный реактор заметно изменяет естественную фоновую картину потоков нейтронов и гамма-квантов в локальной области ОКП. Эти изменения тем заметнее, чем выше орбита. Нейтронные потоки становятся сравнимы с естественным фоном на расстояниях 100 км для низких орбит и 300 км для геостационарных орбит. Тем не менее, даже очень мощные ядерные реакторы (до 1 МВт) не могут существенно ухудшить естественное состояние радиационных поясов Земли.

Существенное нарушение радиационной обстановки в ОКП наблюдалось только после ядерных взрывов, которые проводились в шестидесятые годы. В результате наиболее мощного из них, осуществляемого в рамках американского эксперимента "Морская звезда", возникли так называемые искусственные радиационные пояса, которые по некоторым данным (в частности по наблюдениям полярных сияний) сохранялись в течение нескольких лет. Последствия ядерных взрывов для верхней атмосферы и ионосферы были весьма сокрушительны, однако об их истинных масштабах не дано судить, так как в то время еще только начинали развиваться методы зондирования этой среды. В дальнейшем любые ядерные испытания в космосе были запрещены.

Выбор орбит консервации ядерных реакторов был осуществлен в конце 60-х годов, когда уровень космического мусора был еще не слишком высок. Однако в настоящее время именно область высот 800-1000 км оказалась наиболее загрязненной, в связи с чем возникла реальная опасность разрушения ядерных реакторов в результате столкновений с фрагментами космического мусора заведомо раньше, чем произойдет распад осколков деления безопасного уровня. Расчеты показывают, что за время своего существования на орбите (примерно 200 лет.) ядерный реактор может испытать порядка 20 аварийных столкновений. Недавно (Назаренко, 1996) было показано, что одно столкновение с частицей мусора размером 0,5 см должно иметь место в среднем за 6 лет и за 26 лет с частицей размером 1 см. Последствием такого столкновения является разрушение ЯЭУ и рассеивание радиоактивного вещества в ОКП с возможным его осаждением в приземную атмосферу. Несколько лет назад американские ученые сообщили о наблюдении в ОКП радиоактивных фрагментов космического мусора, связав их появление с разрушением ядерных реакторов спутников "Космос".

Возникающее радиоактивное загрязнение может представлять опасность для работ навигационных систем, метеоспутников и систем наблюдения за природными ресурсам которые используют близкие орбиты. Таким образом, именно рост массы космического мусора, являясь причиной разрушения ЯЭУ, определяет радиоактивное загрязнение ОКП. Однако для ОКП это загрязнение не представляет особой опасности в плане изменения свойств этой среды. Главная экологически опасность связана с возможностью падения фрагментов разрушенных ЯЭУ и осаждения радиоактивных веществ в приземную атмосферу и на поверхность Земли. Подобный случай произошел в 1978 г. при аварии спутника "Космос-954", когда крупные радиоактивные осколки рассеялись на севере Канады. Специальный анализ атмосферы в разных точках планеты в июне и сентябре 1978 г. показал, что большая часть многотонной массы "Космоса-954" испарилась и была рассеяна в атмосфере Земли. В том числе и по крайней мере 37,1 кг отработавшего ядерного топлива.