"Niebo spada nam na głowę". Zagrozi to satelitarnym megakonstelacjom

Nie od dziś słyszymy głosy wyrażające obawy, że megakonstelacje satelitów doprowadzą do takiego zabałaganienia ziemskiej orbity, że nie tylko astronomowie będą mieli z tym problem, ale także ich operatorzy. Co gorsza, te obawy powinny być tym większe, im więcej emitujemy gazów cieplarnianych. Dlaczego? Otóż nasza atmosfera, a dokładnie termosfera, w której porusza się większość satelitów, w tym wspomniane megakonstelacje tysięcy satelitów (obecnie głównie Starlink, ale konkurencja nabiera tempa), ma swoją „bezpieczną pojemność”. I prawdopodobnie nie jest ona stała, a ulega zmniejszeniu.

Co to jest ta „bezpieczna pojemność” orbity Ziemi?

To nieformalne określenie. Oznacza łączną liczbę satelitów, które mogą znajdować się na orbicie Ziemi, a która nie doprowadzi do niekontrolowanego lawinowego przyrostu liczby zderzeń zwanego syndromem Kesslera. Dziś na orbicie Ziemi znajduje się około 10 tysięcy satelitów, przy czym w ciągu ostatnich pięciu lat wystrzelono ich więcej niż w ciągu wcześniejszych kilkudziesięciu lat eksploracji kosmosu. Do tego trzeba doliczyć jeszcze człony rakiet, które nie spadły na Ziemię i wciąż okrążają planetę, a także śmieci, będące wynikiem zderzeń pomiędzy obiektami na orbicie. To łącznie około 40 tysięcy obiektów większych niż 10 cm. Satelity wyniesione na wysoką orbitę pozostaną na niej dłużej, niż będzie istniała nasza cywilizacja, a być może i życie na Ziemi. Ich liczba rośnie, ale w znacznie mniejszym stopniu niż liczba satelitów na niskich orbitach. Dlatego w przypadku niskiej orbity Ziemi (tzw. Leo, z ang. Low Earth Orbit), problem „bezpiecznej pojemności” jest tak istotny.

Wizualizacja ruchu na niskiej orbicie Ziemi generowana przez LeoLabs. (fot: LeoLabs)

Satelity na LEO po zakończeniu pracy stają się nieaktywne. Następnie po pewnym niezbyt długim czasie (miesiące do dziesiątek lat) pod wpływem tarcia atmosferycznego obniżają swoją orbitę i w końcu spalają się w dolnych warstwach atmosfery. W ten sposób dochodzi do naturalnego samooczyszczania się orbity. Co prawda obecnie satelitów przybywa szybciej niż ich ubywa, ale to te nieaktywne stanowią największe zagrożenie - nie można nimi bowiem już sterować tak, by unikać kolizji. A każda kolizja to nawet tysiące odłamków, nad którymi także nie mamy kontroli.

Z jednej strony tarcie atmosferyczne zmusza operatorów aktywnych satelitów do ciągłej kontroli orbity i jej ewentualnego podnoszenia, z drugiej to potrzebne zjawisko - zmniejsza tempo zaśmiecania orbity. Inaczej rzecz ujmując, moment w którym „bezpieczna pojemność” orbity zostanie osiągnięta, odsuwa się w czasie. To tak jak dosypywanie cukru do pozornie pełnej szklanki z wodą, gdy robimy to powoli, zdąży się on rozpuścić i pozwoli na dosypanie kolejnej porcji cukru. W pewnym momencie więcej już nie da się dosypać, ale też nie rozlejemy wody, co nastąpiłoby w przypadku bardzo szybkiego wsypania zbyt dużej porcji cukru.

Do roku 2100, emisja gazów cieplarnianych zmniejszy 'bezpieczną pojemność' niskiej orbity Ziemi w najbardziej 'uczęszczanych' regionach o 50 do 66 proc.

Nie wiemy co prawda, jak liczbowo wyraża się ta „bezpieczna pojemność”, bo może okazać się, że na orbitę trafią jeszcze dziesiątki tysięcy satelitów, zanim przestaniemy nad nimi mieć kontrolę. Są też opinie, że już jesteśmy blisko tego limitu. I tu do głosu dochodzą zmiany klimatyczne, gdyż według obliczeń naukowców z MIT, „bezpieczna pojemność orbity” nie jest stała, a ulega zmniejszeniu ze względu na ocieplenie Ziemi. Więc nawet jeśli daleko nam jeszcze do jej osiągnięcia, to prawdopodobnie bliżej, niż gdyby Ziemia nie ocieplała się tak szybko jak obecnie. Obliczenia są potwierdzeniem raportowanych już kilka lat temu przez satelity badawcze zmian w grubości termosfery.

Ale jak ogrzewanie się Ziemi wpływa na satelity?

Orbita LEO to pułap od 200 do 2000 km. Dolna część tego zakresu, bardziej zapełniona niż wyższa - tu znajdują się między innymi Starlink, to obszar termosfery.

Dolne warstwy termosfery. To, co zwyczajowo nazywamy atmosferą, to otaczająca nas troposfera. Większość samolotów nie lata wyżej niż jej górny pułap. Potem zaczyna się stratosfera, nad nią jest mezosfera, a na wysokości 80 km zaczyna termosfera. Sięga ona do wysokości około 800 km nad powierzchnią. To w termosferze znajduje się MSK, teleskop Hubble'a, większość satelitów, a także zachodzą takie zjawiska jak zorze polarne. 

Jej rozpiętość, a zarazem gęstość, może się zmieniać, a to oznacza, że tarcie wywierane na satelity i inne obiekty także ulega zmianie. Gdy termosfera się rozszerza, jej gęstość na danej wysokości rośnie i satelity szybciej opadają. Gdy zachodzi odwrotne zjawisko, mniejsza gęstość kurczącej się termosfery spowalnia tempo opadania satelitów, czyli szanse na szybsze samooczyszczanie orbity z tych już nieaktywnych. Okazuje się, że rozmiar termosfery nie jest zależny tylko od stopnia aktywności słonecznej, czyli rozszerza się ona w jej maksimum, a kurczy w jej minimum. Okazuje się, że tenże rozmiar jest zależny także od obfitości dwutlenku węgla. Zwiększająca się jego ilość sprawia, że termosfera się stale kurczy (w przeciwieństwie do najbliższego otoczenia Ziemi, na dużych wysokościach dwutlenek węgla wywołuje odwrotny efekt, czyli chłodzi zamiast grzać), a nie podlega jedynie cyklicznym zmianom związanym z czasem trwania cyklu słonecznego.

Prawie dosłownie niebo spada nam na głowę, tyle że dzieje się to w skali dekad - tak podsumowuje wyniki symulacji William Parker z departamentu Aeronautyki i Astronautyki w MIT

Tym samym kurczy się także zakres odległości od powierzchni Ziemi, gdzie tarcie atmosferyczne jest znaczące. To oznacza, że satelity wynoszone na orbitę o danym pułapie z czasem będą w coraz mniejszym stopniu poddawane tarciu atmosferycznemu. Czas ich naturalnej deorbitacji ulegnie wydłużeniu. A na tym między innymi polega strategia budowy megakonstelacji na LEO - by zużyte satelity spadały w końcu w dolne warstwy atmosfery, a nie tylko były deorbitowane w sposób kontrolowany. Potrafimy tak działać, ale im więcej zużytych satelitów na orbicie, tym jest to bardziej kłopotliwe. Więcej satelitów bez kontroli to też większe ryzyko zderzeń.

Źródło: MIT, inf. własna, phys.org, foto wejściowe - NASA/JSC