На днях в журнале Nature Sustainability вышла статья, авторы которой утверждают, что рост концентрации парниковых газов в атмосфере Земли может повредить не только климату планеты, но и объектам на её орбите. Авторы работы указывают, что связанное с этим снижение плотности атмосферы на высотах от 200 до 1000 километров может снизить «вместимость» низких околоземных орбит на 50-66%. Давайте разберёмся, какой механизм стоит за этим феноменом, и насколько сильно из-за этого стоит переживать.
Редкое космическое тело долетит до поверхности Земли. Приближаясь к ней, эти объекты из безвоздушного пространства переходят во всё более плотные слои атмосферы. Сопротивление газов, окутывающих нашу планету, увеличивает температуру болидов и те, как правило, из-за этого полностью сгорают — лишь достаточно крупные добираются до поверхности.
Однако вот уже около двух веков — началом этого процесса принято считать промышленную революцию — состав этих самых слоёв атмосферы меняется. Выбросы, связанные со сжиганием ископаемого топлива, увеличивают количество углекислого и прочих парниковых газов в земном воздухе. И помимо широко известного эффекта на тропосферу и, соответственно, климат, парниковые газы влияют и события в более высоких сферах. Если на уровне тропосферы они, поглощая энергию, поступающую как от Солнца, так и от Земли, передают её окружающим их молекулам азота и кислорода и тем самым удерживают тепло, то в намного более разреженной термосфере они переизлучают её в ИК-спектре. Таким образом, этот слой газа уже не греется, а напротив, остывает. Этот механизм называют радиационным охлаждением.
Охлаждение, естественно, приводит к уменьшению плотности этого слоя атмосферы, и вместе с тем уменьшению его объёма. Таким образом, на этих высотах условия становятся более «космическими», аэродинамическое сопротивление падает, и объекты на низких околоземных орбитах могут оставаться на своих местах дольше.
Что же в этом плохого?
Казалось бы, ничего. Что-то плохое здесь можно усмотреть, если привлечь к этой картинке соображения, широко известные под именем синдром Кесслера — гипотетическим событием на орбите Земли, резко увеличивающим число объектов на ней настолько, что та становится в прямом смысле этого слова непригодна для космонавтики. Сам сценарий впервые описал еще в 1978-м сотрудник NASA Дональд Кесслер, а в популярной культуре этот сюжет вы могли встретить, например, в «Гравитации» Альфонсо Куарона или «Семиевии» Нила Стивенсона. Полвека назад Кесслер предсказывал, что проблемы с космическим мусором у нас начнутся где-то после 2000 года. В 2010-м он с коллегами выпустил статью, где утверждалось, что хотя оригинальный прогноз Кесслера нельзя назвать сбывшимся, мы, тем не менее, уже вошли в эпоху, где динамика массивов космических обломков на земных орбитах всё больше определяется случайными столкновениями между его элементами — и настало время всерьез заняться контролем происходящего.
График с предсказанием Кесслера 1978 года с наложенными данными фактических наблюдений к 2010-м
События, о которых предупреждал Кесслер полвека назад, уже происходили: столкновение спутников Космоса-2251 и Iridium 33 (2009 год); столкновение Yunhai 1-02 и обломка ракеты Зенит-2 (2021 год); не говоря уже об испытаниях противоспутникового оружия, которые проводили США, Россия, Индия и Китай. По некоторым оценкам, диагноз «синдром Кесслера» — то есть фактическая непригодность для космонавтики — можно ставить орбитам на высотах 900 и 1400 километров.
Источник: Parker, W.E. et al. / Nature Sustainability, 2025
Для того, чтобы предотвратить чрезмерное загромождение популярных околоземных орбит, космические объекты предлагают либо сжигать в атмосфере, либо выводить на так называемые орбиты захоронения. Однако какого-то общего для всех и обязательного к исполнению международного правила эксплуатации космических аппаратов на орбите Земли нет. Есть «Руководящие принципы…», разработанные при ООН, но каких-то определённых ограничений и уж тем более санкций за несоответствие им в них нет.
В последнее годы отдельное беспокойство у специалистов вызывают проекты массивных спутниковых группировок типа Starlink, OneWeb или российской системы «Бюро 1440».
Компания Илона Маска, впрочем, получив в 2018 году у американского регулятора разрешение на использование орбит на высоте 1100-1325 километров, затем попросила и получила одобрение на то, чтобы снизить эти орбиты до диапазона между 540 и 570 километрами. По расчётам компании, которые убедили государственную комиссию, благодаря этому снижению отработавшие свой срок спутники будут бесследно сгорать в атмосфере в течении 5 лет. В 2023 году, явно с оглядкой на опыт Starlink, регулятор снизил допустимый «срок дожития» для спутников с 25 до 5 лет. Придерживаться правила пяти лет также рекомендует с недавних пор и Европейское космическое агентство. Остальные участники «дорожного движения» на орбите Земли пока своих стандартов не меняли.
Добавляем сюда парниковые газы
Неизвестно, однако, учитывали ли в своих расчётах западные специалисты увеличение количества парниковых газов в атмосфере планеты. Такие оценки генерально уже давались — например в 2000-м по данным о высоте орбиты пяти спутников из базы NORAD за 1976, 1986 и 1996 годы было показано, что за 20 лет плотность термосферы на высоте 350 км снизилась на 9,8% ± 2,5%, и при сохранении этого тренда к концу XXI века она сократится в три раза по сравнению с 1976-м годом. Однако это исследование было сосредоточено на самом феномене охлаждения термосферы и его связи с ростом концентрации CO₂, но не затрагивало последствия этого процесса для космических операций.
G. M. Keating et al. / Geophysical Research Letters, 2000
Авторы работы в Nature Sustainability пошли дальше, расширив анализ и оценив, как изменение плотности термосферы повлияет на срок существования космического мусора, стабильность низких орбит и их «вместимость» в кесслеровском смысле. Они показали, что плотность термосферы на высоте 400 км снизилась примерно на 30% за последние 50 лет (с 1970-х годов по 2020-е), что подтверждается спутниковыми наблюдениями и численными моделями. В отличие от упомянутого уже анализа 2000 года, авторы которого работали с данными за 1976–1996 годы на основе данных об орбитах пяти спутников из базы NORAD, авторы настоящего исследования использовали более широкий временной диапазон и опирались на спутниковые миссии NASA TIMED/SABER и HALOE.
Источник: Parker, W.E. et al. / Nature Sustainability, 2025
Учёные показали, что снижение плотности термосферы уже сегодня привело ко значительному увеличению срока существования обломков на низких околоземных орбитах. Согласно их оценкам, объекты, которые ранее сходили с орбиты в пределах 10 лет, теперь могут оставаться в космосе на 5–15 лет дольше. И также подтвердили, что совокупные усиление эффекта сокращения термосферы в последние десятилетия коррелирует с увеличением уровней CO₂ в атмосфере Земли.
Более того, исследователи текущие результаты с историческими данными атмосферной изменчивости. В анализируемый период солнечная активность следовала ожидаемым 11-летним циклам, однако даже в периоды солнечного максимума плотность термосферы оставалась ниже, чем в аналогичных фазах предыдущих циклов. Это подтверждает, что в современном нам сокращении термосферы участвует и фактор антропогенной природы.
Затем авторы новой статьи оценили то, как будет меняться плотность термосферы Земли для трёх сценариев изменения климата Земли в XXI веке по модели IPCC (Межправительственной группы по изменению климата при ООН): SSP1-2.6, SSP2-4.5 и SSP5-8.5.
Источник: Parker, W.E. et al. / Nature Sustainability, 2025
В сценарии SSP1-2.6, предполагающем значительное сокращение выбросов CO₂ и стабилизацию глобальных температур, снижение плотности термосферы к 2100 году составит около 20% относительно 2000 года, что позволяет минимизировать влияние на орбитальный мусор. В сценарии SSP2-4.5, где выбросы продолжают расти до середины века, а затем стабилизируются, плотность термосферы снижается на 35–50%, продлевая срок существования космического мусора на 5–10 лет. В сценарии SSP5-8.5, который представляет собой экстремальный случай высоких выбросов и отсутствия мер по их сокращению, плотность термосферы может упасть на 60–80%. Это увеличит срок существования орбитального мусора на 15–30 лет и усилит риски каскадных столкновений в 2–3 раза, а также повысит частоту столкновений на 30–50% по сравнению с текущими.
Источник: Parker, W.E. et al. / Nature Sustainability, 2025
Метрика орбитальной вместимости
В своей работе учёные вводят понятие «кесслеровской вместимости» (IKC, Instantaneous Kessler Capacity) низких околоземных орбит. Она определяется как максимальное количество спутников и обломков, которое может находиться на орбите без риска запустить на ней синдром Кесслера.
Формально IKC определяется как функция, учитывающая такие параметры, как плотность термосферы, количество и распределение мусора и спутников на конкретной орбите, вероятность столкновений на основе наблюдаемых трендов столкновений за последние десятилетия и моделирования их последствий. В своей модели ученые оперировали двумями типами объектов:
- активные спутники с массой 223 кг и радиусом 0.745 м,
- мусор с массой 0.64 кг и радиусом 0.09 м.
Масса определяет орбитальную динамику объекта и вероятность разрушения при столкновении, а радиус определяет вероятность взаимодействия с другими объектами.
Источник: Parker, W.E. et al. / Nature Sustainability, 2025
Авторы затем приводят численные оценки IKC для орбит от 200 до 1000 километров на XXI век. Согласно их расчётам, за последние четверть века IKC на этих высотах варьировалась между 34 миллионами спутников в периоды солнечного минимума и 72 миллионами в солнечный максимум. Однако к 2100 году, в зависимости от сценария изменения климата, вместимость может сократиться вдвое или более. В сценарии SSP1-2.6, IKC снизится примерно до 30 миллионов в солнечный минимум, что оставляет относительно стабильные условия для эксплуатации орбит, если считать таковыми современные условия. В самом неблагоприятном сценарии SSP5-8.5 IKC в солнечный минимум будет в три раза меньше современного.
Это вообще серьезно?
«Статья очень спорная, — говорит Александр Кузнецов из ЦНТИ «Перспективные технологии для космических систем и сервисов» МФТИ. — На сегодняшний день нет адекватных моделей плотности верхней атмосферы. Существующие модели атмосферы позволяют предсказать плотность на неделю, может быть на полторы. Да и то с погрешностями в 50%. Авторы делают очень долговременные прогнозы. Рассмотренные эффекты как минимум интересны. Но будет ли так на самом деле — большой вопрос. [Одно дело] изменения, связанные с 11-летним солнечным циклом. Но! Эти изменения периодичны. А тут авторы пытаются описать непериодические изменения на долгом промежутке времени. И это очень сложная, как мне кажется, непосильная задача».
