Научно - исследовательский доклад "Космос и экология"

Содержание.

1. Тезисы________________________________________________________2
2.  Введение____________________________________________________3-4
3. Загрязнение космоса_________________________________________4 -12

1. Общая характеристика атмосферы    ________________________4-5

1. Экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на тропосферу Земли__________________________________      5
2. Экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на стратосферу Земли__________________________________5-6
3. Экологического воздействия ракетных продуктов сгорания на ионосферу Земли____________________________________6-7

2. Электромагнитное загрязнение космоса____________________7-8
3. Радиоактивное загрязнение космоса________________________8
4. Загрязнение околоземного пространства космическим мусором___________________________________________8

1. Космический мусор_________________________________8-9
2. Космический мусор - главная проблема мировой космонавтики_______________________________________10
3. Случаи столкновения космических аппаратов с мусором__ 10-11
4. Методы уборки и уничтожения космического мусора______11
5. Разработки государств мира в сфере решения проблемы «космического мусора»___________________________  11-12

4. Выводы и практические рекомендации_______________________ 12-14
5. Заключение_____________________________________________14
6. Литература________________________________________________15

1. Тезисы.

1. Космическое пространство постепенно становится своеобразной частью среды обитания и деятельности человека. Сфера взаимодействия общества и природы выходит за пределы планеты.
2.  Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.
3.  Выбросы продуктов сгорания ракетных двигателей могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсичное загрязнение облачного покрова.
4. Разрушение озонового слоя Земли ракетными двигателями, работающими на твердом топливе.
5. Массовые пуски ракетоносителей и космических буксиров могут привести к глобальному воздействию на ионосферу, последствия которого остаются еще до конца не изученными.
6. Постоянное воздействие электромагнитных полей приводит к ослаблению иммунитета, снижению сексуальных функций, сбоям в работе нервной, эндокринной и сердечнососудистой системы.
7. Неизбежное осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на земную поверхность опасно для окружающей среды.
8. Накапливающийся космический мусор в околоземном пространстве представляет опасность для космических аппаратов.
9. Антропогенные воздействия на околоземное космическое пространство изучены к настоящему времени далеко не полностью, а их степень опасности с точки зрения воздействия на биосферу и возможного изменения характеристик околоземной космической среды  различна.

2. Введение

     С давних времен мечты о космосе будоражили умы человечества. Сегодня космическое пространство постепенно становится своеобразной частью среды обитания и деятельности человека, происходит расширение содержания понятия “окружающая природная среда” с включением в это понятие околоземного космического пространства.

           На заре космической эры, в 60-х годах, были определены перспективы развития космонавтики. Основной тенденцией в освоении околоземного космического пространства, стало решение широкого круга прикладных задач с помощью самой разнообразной космической техники. В связи с созданием модульных долговременных орбитальных станций нового поколения и необходимостью сооружения других крупногабаритных космических конструкций (например, многоцелевых космических платформ, орбитальных радиоастрономических комплексов и т. д.) все большую актуальность приобретает проведение в космосе строительно-монтажных работ.

Но, вне зависимости от конкретных путей дальнейшего развития космонавтики,  расширение масштабов хозяйственной деятельности человека в космосе в будущем может потребовать решения проблем экологии околоземного космического пространства.  Проблемы воздействий космических транспортных средств на околоземное космическое пространство и проблемы его загрязнения выбросами газообразных, жидких и твердых отходов из космических производственных комплексов – это аспекты и космической, и земной экологии.

Конечно, обострения этих проблем можно ожидать, по-видимому, лишь в следующем столетии, однако очень важно уже сейчас глубоко и тщательно изучать все виды антропогенных воздействий на космическую среду, анализировать экологические перспективы деятельности в космосе, поскольку пренебрежение требованиями экологии и охраны окружающей среды в конечном счете может свести на нет плоды технического прогресса.

3. Загрязнение космоса.

3.1. Общая характеристика атмосферы.

В процессе работы реактивных двигателей в околоземном космическом пространстве поступает огромная масса различных газообразных химических продуктов.

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  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 режим 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 ракетоносителей, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы), уменьшение концентрации озона в стратосфере и свободных электронов в ионосфере.

3.1.1. Экологическое воздействие ракетных продуктов сгорания на тропосферу Земли.

      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». Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсичное загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях. Однако отмеченные эффекты кратковременны, поскольку турбулентные течения в приземной атмосфере приводят к быстрому перемешиванию выброшенных химических компонентов и снижению их концентрации до безопасного уровня. Следует отметить, что эти составляющие выбросов образуются при сгорании твердых ракетных топлив и не содержатся в продуктах сгорания отечественных ракет-носителей.

   3.1.2. Экологическое воздействие ракетных продуктов сгорания на стратосферу Земли.

     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. На этих высотах, как уже отмечалось, важную экологическую роль играет озоновый слой, который образуется путем фото-диссоциации кислорода и последующего взаимодействия его атомов с молекулами.  Источником разрушения озона служат каталитические реакции. 

     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 ракетоносителей 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. Каждый атом хлора разлагает в тысячи раз больше молекул озона, чем одна молекула окисла азота. В итоге это приводит к усугублению глобальной проблемы – истощению озонового слоя Земли. Это негативно воздействует на биосферу, особенно на живые организмы, включая человека.

По данным ВОЗ, уменьшение стратосферного слоя озона на 1% приводит к росту онкологических заболеваний на 6 %.

      3.1.3. Экологическое воздействия ракетных продуктов сгорания на ионосферу Земли.

      Еще в 60-е годы внимание специалистов привлекли необычные явления на этих высотах, происходившие при пусках мощных ракетоносителей. В ионосфере вблизи следа ракеты как бы образовывалась «дыра», которая затягивалась только через несколько часов. Тогда предположили, что разреженная ионосферная плазма «выталкивается» газами, выбрасываемыми при полете ракеты. При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракетоносителей, 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 высотах в ионосфере, как уже говорилось, наблюдается взаимодействие водяных паров с ионосферной плазмой, в результате чего и образуются зоны с пониженной плотностью электронов, что вызовет образование ионосферной «дыры» площадью до 20 млн. км2. В зависимости от геофизических условий длительность существования такой «дыры» может достигать 1 – 16 часов.  А при регулярных запусках космических буксиров со среднеширотных полигонов в Северном полушарии в ионосфере может образоваться глобальный пояс  шириной несколько тысяч километров. Степень уменьшения электронной концентрации составит не менее 10%. Таким образом, переход к массовым пускам ракетоносителей и космических буксиров может привести к глобальному воздействию на ионосферу, последствия которого остаются еще до конца не изученными. Образование ионосферной «дыры» может сопровождаться различного рода аномалиями в области свечения ионосферы, распространения радиоволн, нарушении радиосвязи на больших территориях, значительному ухудшению точности спутниковой навигации.

      3.2. Электромагнитное загрязнение космоса.

       Естественное радиоизлучение в окрестности Земли складывается из различных источников: атмосферных электрических помех, теплового радио- излучения Земли, космического радиоизлучения, радиоизлучения Солнца и планет. Именно эти источники определяли характеристики электромагнитного эфира во времена М. Фарадея. Однако в настоящее время земная цивилизация обеспечивает значительную долю радиоизлучений в околоземном пространстве.

Источниками искусственных радиоизлучений, хотя и малой интенсивности, являются также спутники и другие космические аппараты, вращающиеся вокруг Земли.

Электромагнитный эфир в наши дни настолько насыщен искусственными радиоизлучениями, что Международному союзу электросвязи пришлось “наводить порядок”, строго распределяя частотные диапазоны между различными потребителями. И все же в эфире “тесно”, и в этом легко убедиться, покрутив ручку настройки радиоприемника. Таким образом, мы имеем дело со своеобразным “электромагнитным загрязнением среды” - в данном случае радиоэфира.

        Постоянное воздействие электромагнитных полей приводит к ослаблению иммунитета, снижению сексуальных функций, сбоям в работе нервной, эндокринной и сердечнососудистой системы.
На сегодняшний день такое излучение считается одним из видов загрязнения планеты и относится к перечню наиболее актуальных проблем человечества.
Мы не можем ни увидеть его, ни ощутить, ни услышать, ни обонять. Именно поэтому многие люди не воспринимают эту информацию всерьез.

3.3. Радиоактивное загрязнение космоса.

        Загрязнение космического пространства - общее засорение околоземного и ближнего космического пространства космическими объектами. Наиболее опасно радиоактивное загрязнение из-за вывода на орбиты и разрушения ядерных реакторов.

        Радиоактивное загрязнение околоземного космического пространства ядерными установками на спутниках не представляет угрозы для данной среды. Однако неизбежное осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на земную поверхность опасно для окружающей среды. В последнее время вероятность выпадения радионуклидов резко увеличилась в связи с ростом разрушения отработавших ядерных установок на спутниках. Радиоактивное загрязнение поверхности Земли фиксируется также при падении спутников с ядерными установками.

 3.4.  Загрязнение околоземного пространства космическим мусором.  

 3.4.1.  Космический мусор.

В общее понятие «космический мусор» входят 2 типа мусора, это:

1. Астероиды и кометы, блуждающие по  Солнечной системе и засоряющие ее.

2. Детали отработанных космических кораблей, которые вращаются около Земли или летят к другим планетам и спутникам, а в дальнейшем станут таким же мусором у этих объектов Солнечной системы.

Но чаще всего термин «космический мусор» относят ко второму типу.

Космический мусор - это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. По некоторым данным (по разным оценкам) в настоящее время в районе низких околоземных орбит вплоть до высот около 2000 км находится от 5000 тонн (700 тыс. фрагментов) техногенных объектов («свалки»). Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это низкая околоземная орбита, геостационарная орбита и солнечно-синхронные орбиты .

По другим данным вокруг Земли в настоящее время уже имеются три слоя космического мусора:

Современные оптические приборы «видят» примерно около 15% этого мусора.

Вклад в создание космического мусора по странам:

• Китай — 40 %; 
• США — 27,5 %; 
• Россия — 25,5 %; 
• остальные страны — 7 %.

По расчетам через 15-30 лет ближний Космос будет полностью засорен и будет непригоден для полетов. Особенно это касается геостационарных орбит, на которых отработанные спутники практически сохраняются вечно.    

Современные оптические приборы «видят» примерно около 15% этого мусора.

3.4.2. Космический мусор - главная проблема мировой космонавтики. Накапливающийся космический мусор в околоземном пространстве представляет опасность для космических аппаратов.

 Рост количества «космического мусора» на орбите Земли может привести к прекращению пилотируемых и непилотируемых полетов.

В некоторых случаях  крупные  объекты космического мусора  могут представлять прямую опасность и для Земли - при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населенные пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.

Мусор становится довольно серьёзной проблемой на околоземной орбите. На МКС уже не один раз объявлялась тревога в связи с пролетавшими рядом «скопищами» мусора.

3.4.3. Случаи столкновения космических аппаратов с мусором.

В 1983 году маленькая песчинка (менее 1мм в диаметре) оставила серьезную трещину на иллюминаторе «Шаттла».

В июле 1996 года на высоте около 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты «Arian».

В 2001 году МКС едва не столкнулась с семикилограммовым прибором, утерянным американскими астронавтами.

29 марта 2006 года в 03:41 (MSK) произошла авария спутника «Экспресс-АМ11»: в результате внешнего воздействия разгерметизирован жидкостный контур системы терморегулирования; космический аппарат получил значительный динамический импульс, потерял ориентацию в пространстве и начал неконтролируемое вращение. По предварительным данным причиной аварии стал «космический мусор». Выводы комиссии подтвердили первую версию произошедшего.

10 февраля 2009 года коммерческий спутник американской компании спутниковой связи Iridium, выведенный на орбиту в 1997 году, столкнулся с военным российским спутником связи «Космос-2251», запущенным в 1993 году и выведенным из эксплуатации в 1995 году.

При столкновении спутника с мусором часто образуется новый мусор (так называемый синдром Кесслера), что в будущем может привести к неконтролируемому росту засоренности космоса.

3.4.4. Методы уборки и уничтожения космического мусора.

Эффективных практических мер по уничтожению космического мусора на орбитах более 600 км на настоящем уровне технического развития Человечества не существует. Вместе с тем актуальность задачи обеспечения безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства  и снижения опасности для объектов на Земле при неконтролируемом вхождении космических объектов в плотные слои атмосферы и их падении на Землю стремительно растет. Поэтому международное сотрудничество по проблематике «космического мусора» развивается по следующим приоритетным направлениям:

• Экологический мониторинг околоземного пространства, включая область геостационарной орбиты: наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора».
• Математическое моделирование «космического мусора» и создание международных информационных систем для прогноза засоренности околоземного пространства и ее опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения космических объектов и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы.
• Разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц «космического мусора».
• Разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности околоземного пространства.

3.4.5. Разработки государств мира в сфере решения проблемы «космического мусора».

Телескоп для наблюдения за космическим мусором и предупреждения о сближении его со спутниками разработало американское Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Задача нового телескопа SST (Space Surveillance Telescope) – сканировать небо быстрее, чем любой другой телескоп того же размера, выявлять новые объекты, а также фиксировать опасные сближения спутников с космическим мусором и между собой. Даже сантиметровый обломок, летящий на большой скорости, может вывести из строя спутник погоды, связи или, например, системы раннего предупреждения ракетных нападений. Японское космическое агентство JAXA займется чисткой орбиты Земли при помощи гигантских металлических сетей, сообщает Asahi.
Планируется, что сеть с линейными размерами в несколько километров будет выведена на орбиту на борту специального спутника. Там она будет разворачиваться при помощи установленного на аппарате манипулятора. После того, как сеть наберет достаточно мусора, она будет отсоединяться.
Взаимодействие с магнитным полем Земли приведет к тому, что сеть вместе с собранными обломками космических аппаратов со временем войдет в плотные слои атмосферы. Во время падения сеть сгорит вместе с мусором. Есть сведения, что РКК Энергия разрабатывает проект орбитального      мусоросборщика. Небольшой пилотируемый аппарат, оснащённый манипуляторами, сможет ремонтировать спутники и собирать космический мусор на орбите. На крайний случай корабль будет оснащён шлюзовой камерой, через который космонавты смогут выходить в космос для сбора мусора в ручном режиме.

    4. Выводы и практические рекомендации.

Изучив экологические проблемы освоения космоса, можно сделать следующие выводы.

1. Сегодня экспериментальная экология околоземного пространства делает свои первые шаги, она, безусловно, будет развиваться дальше в связи с ее огромным значением для изучения и прогноза антропогенных явлений в околоземном пространстве, для определения “экологических границ” исследовательской и производственной деятельности в околоземной среде.
2.  Загрязнение атмосферы со стороны транспортных космических систем пока носит локальный характер, контролируется и сейчас не представляет опасности. В глобальном масштабе выбросы в атмосферу продуктов сгорания при полетах транспортных космических систем  малы, по сравнению с промышленными выбросами, однако, в отличие от последних они воздействуют на атмосферу в широком диапазоне высот, особенно проявляя себя в верхних слоях – стратосфере и ионосфере. Эта особенность воздействия ракетных выбросов на атмосферу требует дальнейшего глубокого изучения с целью своевременного предотвращения нежелательных последствий, которые могут проявить себя при росте масштабов использования ракетно-космической техники. Поэтому перспективные транспортные космические системы должны проходить экологическую паспортизацию, а проектные исследования по решению крупномасштабных задач в космосе должны проводиться с оценкой экологического воздействия привлекаемых средств на окружающую среду.
3. В целом у проблемы космического мусора как у всякой сложной и актуальной проблемы существует несколько измерений: научное, техническое, юридическое, экологическое и пр. Поскольку экономически приемлемых методов очистки космического пространства от мусора пока не существует, основное внимание в ближайшем будущем будет уделено мерам контроля, исключающим образование мусора, таким как предотвращение орбитальных взрывов, сопутствующих полету технологических элементов, увод отработавших ресурс космических аппаратов на орбиты захоронения, торможение об атмосферу и т. п.
4. В то же время, поскольку большинство мер по уменьшению засорения прямо или косвенно затрагивает вопросы формирования облика и конкурентоспособности перспективной космической техники и сопряжены со значительными затратами по проектам ее модернизации, перспективные общие нормативы и стандарты по засоренности околоземного пространства необходимо принимать взвешенно и на глобальной основе.

 5.   Заключение

     Рассмотренные выше различные антропогенные воздействия на околоземное космическое пространство изучены к настоящему времени далеко не полностью, а их степень опасности с точки зрения воздействия на биосферу и возможного изменения характеристик околоземной космической среды различны.

Наиболее изученной к настоящему времени является проблема космического мусора. От успешного решения этой проблемы зависит возможность дальнейшего развития космической деятельности человечества.

Дополнительные теоретические и экспериментальные исследования необходимы для понимания механизмов образования озонных дыр.

Следует указать, что уже сейчас уделяется очень большое внимание обеспечению "экологической чистоты" ракетно-космической техники.

Относительно электромагнитного загрязнения околоземного космического пространства можно отметить, что оно не представляет пока значительной угрозы, как для состояния биосферы, так и для состояния самой околоземной среды.

В связи с упомянутой возможностью возникновения неустойчивостей в околоземной космической среде необходимо подчеркнуть, что задача определения предельно допустимых уровней воздействия на околоземную среду может быть названа главной задачей исследований ближайших нескольких лет. Эта задача является чрезвычайно актуальной по отношению к антропогенным воздействиям всех видов, и от ее скорейшего решения зависят как дальнейшее развитие космической деятельности человечества, так и обеспечение существования современной цивилизации.

6. Литература.

1. Вестник Российской Академии наук, том 71, №1, с.26 – 31,2001.

2. Вронский В.А.Экология и окружающая среда.-М.: ИКЦ «Март»; Ростов – на- Дону: Изд.центр «Март»,2008.-432с.

3.Загрязнение от ракетно - космического деятельности//Зеленый мир.-2003.-№ 3-4-С.4-23.

4.  Космический мусор: Проблема и пути ее решения. В 3 т. Т. 1. / В.Л. Иванов, В.А. Меньшиков, Л.А. Пчелинцев, В.В. Лебедев. — М.: Патриот, 1996. — 303 с.

5. http://www.astronom2000.info/different/zk/