Studie: Klimatické změny omezí počet satelitů, které mohou bezpečně obíhat Zemi

Letečtí inženýři z MIT zjistili, že emise skleníkových plynů mění prostředí blízkozemského prostoru způsobem, který v průběhu času sníží počet satelitů, které tam mohou udržitelně fungovat.

Ve studii publikované v časopise Nature Sustainability (odkaz na studii) výzkumníci uvádějí, že oxid uhličitý a další skleníkové plyny mohou způsobit smršťování horní atmosféry. Zvláštní pozornost je věnována termosféře, kde dnes obíhá Mezinárodní vesmírná stanice a většina satelitů. Při smršťování termosféry se snižující se hustota snižuje atmosférický odpor – sílu, která táhne staré satelity a další trosky do výšek, kde se setkají s molekulami vzduchu a shoří.

Menší odpor však znamená delší životnost kosmického odpadu, který bude po desetiletí znečišťovat žádané oblasti a zvyšovat potenciál kolizí na oběžné dráze.

Tým provedl simulace toho, jak emise uhlíku ovlivňují horní atmosféru a orbitální dynamiku, aby odhadl „nosnost satelitů“ na nízké oběžné dráze Země. Tyto simulace předpovídají, že do roku 2100 by se nosnost nejpopulárnějších oblastí mohla snížit o 50–66 procent v důsledku účinků skleníkových plynů.

„Naše jednání se skleníkovými plyny zde na Zemi v posledních 100 letech má vliv na to, jak budeme provozovat satelity v příštích 100 letech,“ říká spoluautor studie Richard Linares, docent na katedře letectví a kosmonautiky MIT (AeroAstro).

„Horní atmosféra je v křehkém stavu, protože klimatické změny narušují stávající stav,“ dodává hlavní autor William Parker, postgraduální student AeroAstro. „Současně došlo k masivnímu nárůstu počtu vypuštěných satelitů, zejména pro poskytování širokopásmového internetu z vesmíru. Pokud tuto činnost pečlivě neřídíme a nesnažíme se snížit emise, vesmír by se mohl stát příliš přeplněným, což by vedlo k více srážkám a trosek.“

Studie zahrnuje spoluautora Matthew Browna z University of Birmingham.

Pády z nebe

Termosféra se přirozeně smršťuje a rozpíná každých 11 let v reakci na pravidelný cyklus sluneční aktivity. Když je sluneční aktivita nízká, Země přijímá méně záření a její nejvzdálenější atmosféra se dočasně ochladí a smrští, než se při slunečním maximu opět rozpíná.

V 90. letech se vědci zamýšleli nad tím, jak by termosféra mohla reagovat na skleníkové plyny. Jejich předběžné modelování ukázalo, že zatímco plyny zachycují teplo v nižší atmosféře, kde zažíváme globální oteplování a počasí, stejné plyny vyzařují teplo ve mnohem větších výškách, čímž efektivně ochlazují termosféru. S tímto ochlazováním vědci předpovídali, že se termosféra smrští a sníží atmosférickou hustotu ve velkých výškách.

V posledním desetiletí byli vědci schopni měřit změny odporu u satelitů, což poskytlo některé důkazy o tom, že se termosféra smršťuje v reakci na něco více než na přirozený 11letý cyklus Slunce.

„Nebe doslova padá – jen rychlostí, která se pohybuje v měřítku desetiletí,“ říká Parker. „A to můžeme vidět na tom, jak se mění odpor našich satelitů.“

Tým z MIT se zajímal o to, jak tato reakce ovlivní počet satelitů, které mohou bezpečně fungovat na oběžné dráze Země. Dnes se na nízké oběžné dráze Země, která popisuje oblast vesmíru až do 1 200 mil (2 000 kilometrů) od zemského povrchu, pohybuje přes 10 000 satelitů. Tyto satelity poskytují základní služby, včetně internetu, komunikace, navigace, předpovědi počasí a bankovnictví. Populace satelitů v posledních letech prudce vzrostla, a proto musí operátoři provádět pravidelné manévry pro vyhýbání se kolizím, aby zůstali v bezpečí. Jakékoli srážky, které skutečně nastanou, mohou vytvořit trosky, které zůstanou na oběžné dráze po desetiletí nebo staletí, čímž se zvyšuje šance na následné srážky se satelity, jak starými, tak novými.

„V posledních pěti letech bylo vypuštěno více satelitů než v předchozích 60 letech dohromady,“ říká Parker. „Jednou z klíčových věcí, které se snažíme pochopit, je, zda je cesta, po které se dnes ubíráme, udržitelná.“

Přeplněné obálky

Ve své nové studii výzkumníci simulovali různé scénáře emisí skleníkových plynů v příštím století, aby prozkoumali dopady na hustotu a odpor atmosféry. Pro každou „obálku“ nebo výškový rozsah zájmu poté modelovali orbitální dynamiku a riziko kolizí satelitů na základě počtu objektů v obálce. Tento přístup využili k identifikaci „nosnosti“ každé obálky – termínu, který se typicky používá ve studiích ekologie k popisu počtu jedinců, které může ekosystém uživit.

„Bereme tuto myšlenku nosnosti a překládáme ji do tohoto problému udržitelnosti vesmíru, abychom pochopili, kolik satelitů může nízka oběžná dráha Země uživit,“ vysvětluje Parker.

Tým porovnal několik scénářů: jeden, ve kterém koncentrace skleníkových plynů zůstávají na úrovni z roku 2000, a další, kde se emise mění podle sdílených socioekonomických drah (SSP) Mezivládního panelu pro změny klimatu (IPCC). Zjistili, že scénáře s pokračujícím zvyšováním emisí by vedly k výrazně snížené nosnosti po celé nízké oběžné dráze Země.

Tým konkrétně odhaduje, že do konce tohoto století by se počet satelitů bezpečně umístěných ve výškách 200 a 1 000 kilometrů mohl snížit o 50 až 66 procent ve srovnání se scénářem, ve kterém emise zůstanou na úrovni roku 2000. Pokud je překročena kapacita satelitů, i v lokální oblasti, výzkumníci předpovídají, že oblast zažije „zvláštní nestabilitu“ nebo kaskádu srážek, která by vytvořila tolik trosek, že by satelity tam již nemohly bezpečně fungovat.

Jejich předpovědi sahají do roku 2100, ale tým říká, že některé obálky v atmosféře se dnes již přeplňují satelity, zejména z nedávných „megakonstelací“, jako je Starlink společnosti SpaceX, která zahrnuje flotily tisíců malých internetových satelitů.

„Megakonstelace je nový trend a my ukazujeme, že kvůli klimatickým změnám budeme mít sníženou kapacitu na oběžné dráze,“ říká Linares. „A v lokálních oblastech se dnes blížíme k této hodnotě kapacity.“

„Spoléháme na atmosféru, která vyčistí naše trosky. Pokud se atmosféra mění, pak se změní i prostředí trosek,“ dodává Parker. „Ukazujeme, že dlouhodobý výhled na orbitální trosky kriticky závisí na omezení emisí skleníkových plynů.“

Tento výzkum je částečně podporován Národní vědeckou nadací USA, Letectvem USA a britskou Radou pro výzkum životního prostředí.