Супутники типу Starlink можуть становити нову загрозу для озонового шару Землі

Комунікаційні компанії, такі як Starlink, планують запустити десятки тисяч супутників на орбіту навколо Землі протягом наступного десятиліття або близько того. Зростаючий рій вже створює проблеми для астрономів, але останні дослідження поставили інше питання: що станеться, коли вони почнуть спускатися?

Коли термін служби цих супутників закінчиться, вони впадуть в атмосферу Землі та згорять. По дорозі вони залишать слід із дрібних металевих частинок. Відповідно до дослідження, опублікованого минулого тижня групою американських дослідників, цей супутниковий дощ може щорічно викидати в атмосферу 360 тонн крихітних частинок оксиду алюмінію.

Алюміній здебільшого впорскуватиметься на висоті від 50 до 85 кілометрів, але потім він буде дрейфувати вниз до стратосфери – місця розташування захисного озонового шару Землі. Що це означає? Згідно з дослідженням, зворотний слід супутника може сприяти хімічним реакціям, що руйнують озон. Це не так, але, як ми побачимо, історія далеко не проста.

Як руйнується озон?

Втрата озону в стратосфері спричинена «вільними радикалами» – атомами або молекулами з вільним електроном. Коли утворюються радикали, вони запускають цикли, які руйнують багато молекул озону. (Ці цикли мають назви, якими б захоплювався доктор Сьюз: NOx, HOx, ClOx і BrOx, оскільки всі включають кисень, а також азот, водень, хлор і бром відповідно.)

Ці радикали утворюються, коли стабільні гази розщеплюються ультрафіолетовим світлом, якого в стратосфері багато. Оксиди азоту (NOx) починаються з закису азоту. Це парниковий газ, який природним чином виробляють мікроби, але виробництво добрив і сільське господарство збільшили його кількість у повітрі.

Цикл HOx включає водневі радикали з водяної пари. Невелика кількість водяної пари потрапляє в стратосферу, хоча такі події, як підводне виверження вулкана Хунга Тонга–Хунга Хаапай у 2022 році, іноді можуть викидати великі кількості. Вода в стратосфері створює численні маленькі аерозольні частинки, які створюють велику площу поверхні для хімічних реакцій, а також розсіюють більше світла, створюючи красиві заходи сонця. (Я повернуся до обох цих пунктів пізніше.)

Як фреони створили «озонову діру»

ClOx і BrOx є циклами, відповідальними за найвідоміші пошкодження озонового шару: «озонову діру», спричинену хлорфторвуглецями (CFC) і галонами. Ці хімічні речовини, які зараз заборонені, зазвичай використовувалися в холодильниках і вогнегасниках і вносили хлор і бром у стратосферу. Фреони швидко вивільняють радикали хлору в стратосфері. Однак цей реактивний хлор швидко нейтралізується і замикається в молекулах за допомогою радикалів азоту та води.

Що буде далі, залежить від аерозолів у стратосфері, а біля полюсів — ще й від хмар.

Аерозолі прискорюють хімічні реакції, створюючи поверхню, на якій вони відбуваються. У результаті аерозолі в стратосфері виділяють активний хлор (і бром). Полярні стратосферні хмари також видаляють воду та оксиди азоту з повітря. Отже, загалом, коли навколо більше стратосферних аерозолів, ми, швидше за все, спостерігаємо більше втрати озону.

Стратосфера стає все більш металевою

Деталі конкретного впорскування оксидів алюмінію падаючими супутниками були б досить складними. Це не перше дослідження, яке висвітлює зростаюче забруднення стратосфери від повторного потрапляння в космос сміття.

У 2023 році дослідники, які вивчають аерозольні частинки в стратосфері, виявили сліди металів під час повторного входу космічного корабля. Вони виявили, що 10 відсотків стратосферних аерозолів вже містять алюміній, і передбачили, що протягом наступних 10–30 років ця кількість зросте до 50 відсотків. (Близько 50 відсотків частинок стратосферного аерозолю вже містять метали з метеоритів.)

Ми не знаємо, який ефект це матиме. Одним із можливих результатів було б те, що частинки алюмінію викликають ріст частинок, що містять лід. Це означає, що буде більше менших, холодних, відбиваючих частинок з більшою площею поверхні, на якій може відбуватися хімія.

Ми також не знаємо, як частинки алюмінію будуть взаємодіяти з сірчаною кислотою, азотною кислотою та водою, що знаходяться в стратосфері. Як наслідок, ми не можемо точно сказати, якими будуть наслідки для втрати озону.

Навчання у вулканів

Щоб справді зрозуміти, що ці оксиди алюмінію впливають на втрату озону, нам потрібні лабораторні дослідження, щоб більш детально змоделювати хімічний процес, а також подивитися, як частинки рухатимуться в атмосфері.

Наприклад, після виверження Hunga Tonga–Hunga Ha’apai водяна пара в стратосфері швидко змішалася навколо південної півкулі, а потім перемістилася до полюса. Спочатку ця додаткова вода викликала інтенсивні заходи сонця, але через рік ці водяні аерозолі добре розбавилися по всій південній півкулі, і ми їх більше не бачимо.

Глобальна течія, яка називається циркуляцією Брюера-Добсона, переміщує повітря вгору в стратосферу біля екватора і повертається назад на полюси. У результаті аерозолі та гази можуть залишатися в стратосфері не більше шести років. (Зміна клімату прискорює цю циркуляцію, а це означає, що час перебування аерозолів і газів у стратосфері скорочується.)

Відоме виверження гори Пінатубо в 1991 році також створило чудові заходи сонця. Він викинув у стратосферу понад 15 мільйонів тонн діоксиду сірки, що охолодило поверхню Землі трохи більше ніж на півградуса Цельсія протягом приблизно трьох років. Ця подія стала джерелом натхнення для геоінженерних пропозицій щодо уповільнення зміни клімату шляхом навмисного розміщення сульфатних аерозолів у стратосфері.

Залишається багато питань

Порівняно з 15 мільйонами тонн Pinatubo, 360 тонн оксиду алюмінію здаються маленькою картоплиною. Однак ми не знаємо, як оксиди алюмінію поводитимуться фізично в умовах стратосфери. Чи буде він створювати аерозолі, які будуть меншими та більш відбиваючими, таким чином охолоджуючи поверхню, подібно до сценаріїв геоінженерії з впорскуванням аерозолів у стратосферу?

Ми також не знаємо, як алюміній поводитиметься хімічно. Чи створить це ядра льоду? Як він буде взаємодіяти з азотною та сірчаною кислотами? Чи буде він вивільняти закритий хлор ефективніше, ніж нинішні стратосферні аерозолі, сприяючи руйнуванню озону?

І, звичайно, алюмінієві аерозолі не залишаться в стратосфері вічно. Коли вони зрештою впадуть на землю, що це металеве забруднення зробить у наших полярних регіонах? Усі ці питання потребують вирішення. За деякими оцінками, від сьогодні до 2030 року може бути запущено більше 50 000 супутників, тому нам краще вирішити їх якнайшвидше.