Мониторинг космических объектов

1. Введение

В последнее  время как результат техногенной  деятельности человеческой цивилизации  со всей остротой встала проблема глобальной экологии – проблема влияния загрязнения  околоземного космического пространства на процессы, происходящие как в  земных экосистемах, так и в биосфере в целом.

В связи  с этим появилась потребность  расширения понятия окружающей среды, которая до сих пор определялась в основном как ближайшая среда  обитания и производственной деятельности человека – водный и воздушный  бассейны, почва, недра, а также создаваемая самим человеком техногенная среда.

В учении о биосфере по В.И. Вернадскому биосфера Земли рассматривается как единая глобальная экосистема. Естественно, окружающей средой для такой экосистемы является околоземное космическое пространство (ОКП).

В связи  с этим проблема изучения процессов  естественной и техногенной природы  в ОКП, их воздействия на само околоземное  пространство и биосферу превратилась сегодня в одну из фундаментальных  проблем как для наук, изучающих  Вселенную, так и сугубо «земных» наук, объединённых экологией околоземного космического пространства.  

2. Околоземное космическое пространство как глобальная   составляющая окружающей среды

Околоземное космическое пространство (ОКП) представляет собой глобальную окружающую биосферу нашей планеты. Многие исследователи считают, что ОКП можно продлить до границы сферы действия Земли (930 км) или даже до орбит ближайших планет: Венеры и Марса. Чаще всего – это область от слоёв нейтральной земной атмосферы вплоть до лунной орбиты.

В состав околоземного космического пространства входят верхние слои атмосферы, ионосфера, магнитосфера с радиационными поясами, зоны нахождения отходов естественного  и техногенного происхождения. Его  пронизывают гравитационные, геомагнитное, геоэлектрическое и межпланетное магнитные поля, солнечный ветер, потоки заряженных частиц солнечного и галактического происхождения. В ОКП попадают кометы, астероиды и их осколки, метеорные потоки, межпланетная космическая пыль и т.д. Взаимодействие компонентов ОКП между собой вызывает сложные обменные процессы, оказывающие как непосредственное, так и опосредованное влияние на биосферу Земли.   

3. основные  источники загрязнения  околоземного космического пространства

Изучение  загрязнения околоземного космического пространства как естественными (астероиды, кометы, метеоры, космическая пыль), так и искусственными (обломки космических аппаратов, образующие так называемый космический мусор) объектами имеет в настоящее время важнейшее значение как для астрономии и исследований космического пространства, так и для экологии Земли как планеты и безопасности жизни на ней. Здесь можно говорить не только об ущербе от падения тел естественного и искусственного происхождения, но даже и о возможности заражения земной природы радиоактивными и биологическими материалами.

3.1.   источники естественного  мусора в околоземном  космическом пространстве

1. астеориды

Среди естественного космического мусора, попадающего в ОКП, можно выделить астероиды, метеорное и кометное вещество.

Между орбитами Марса и Юпитера, на расстояниях от 2,2 до 4,5 астрономических единиц от Солнца, располагается главный пояс астероидов. В нём к настоящему времени определены орбиты около трёх десятков тысяч малых планет размерами от нескольких сотен метров до сотен километров, а открыты к июню 2001 г. 123 284 астероида. Кроме того, несколько сотен астероидов, имея сильно вытянутые орбиты, заходят в перигелии внутрь земной орбиты, имея вероятность столкнуться с Землёй (так называемая «астероидная опасность»).

Среди астероидов, сближающихся с Землёй, выделяют четыре группы объектов.

1.Астероиды  типа Амура. Их орбиты подходят  к Земле с внешней стороны,  никогда её не пересекая. Таким  образом, они не представляют  опасности столкновения с Землёй  в ближайшем будущем. 

2.Астероиды типа Аполлона. К этому типу принадлежит около 2/3 всех известных астероидов, сближающихся с Землей. Их орбиты проникают внутрь орбиты Земли и столкновение их с Землёй возможно.

3.Астероиды  типа Атона. Столкновение с  Землёй возможно.

4.Астероиды  типа Х. Орбиты полностью находятся внутри орбиты Земли. Первый астероид такого типа открыт только 1988 г. вероятность обнаружения этих объектов современными наблюдательными средствами ничтожна. Опасности для Земли в ближайшем будущем не представляют.

5.Астероиды в резонансных точках орбиты Земли.

Таким образом, потенциальную опасность  столкновения с Землёй представляют только астероиды типа Аполлона и  Атона.

3.1.2. кометы

Кометы  являются основными поставщиками пыли в Солнечной системе в районе земной орбиты. Всего по данным каталога Б. Марсдена в период с 1059 г. до н.э. по 1995 г. зафиксировано появление 2335 комет. Подавляющее большинство комет состоит из твёрдого ядра, окружённого газо-пылевой оболочкой. С приближением кометы Солнцу под действием солнечного ветра и светового давления у неё образуется хвост, направленный, чаще всего, в сторону противоположенную Солнцу. Орбиты комет, как правило, очень неустойчивы и быстро изменяются. Причина этого в возмущениях со стороны планет и быстрая потеря кометами своей массы.

3.1.3. метеорное вещество

Наконец, орбиту Земли ежегодно пересекают  несколько десятков метеорных потоков, состоящих из тел малого размера. В настоящее время известно около 20 главных метеорных потоков, кроме  них выделяют до 6000 малых метеорных  потоков или ассоциаций. Значительная часть метеороидов сосредоточена в метеорных потоках. Но метеорные потоки имеют достаточно ограниченный срок существования.  

2. отходы  техногенного происхождения  в околоземном  космическом пространстве

Наиболее  близкой и значительно более актуальной для экологии такой динамической системы, как система «Земля-ОКП», является проблема искусственного (техногенного) космического мусора. С 1957 г. на различные околоземные орбиты и в далёкий космос запущено около 22000 искусственных космических объектов. Более половины из них снизились и сгорели в атмосфере. Около 7000 остаётся на орбитах.

Говоря  о распределении искусственного космического мусора в околоземном  пространстве, можно отметить его  нахождение в зоне наиболее заселённых орбит. Таких наиболее заселённых зон две: геостационарные орбиты на высотах около 40 тыс. км от Земли и орбиты на высотах 800-1000 км. Геостационарная орбита наиболее плотно заселена объектами в количестве около 600 (из них более 100  –  российские). Ежегодно к ним прибавляется около 20-30 новых плюс значительное количество обломков как от вспомогательного оборудования, так и старых разрушившихся спутников.

Крупные фрагменты  и осколки космического мусора разлетаются в ОКП по различным орбитам, создавая вокруг Земли искусственный пояс, который может существовать длительное время.  

4.   Цели и задачи  мониторинга околоземного  пространства. Анализ  современных возможностей  мониторинга околоземного  космического пространства

Мониторинг околоземного космического пространства – наблюдения и постоянный

контроль  естественного и антропогенного загрязнения; выработка методов оценки физического состояния околоземного космического пространства как части природной среды.

Разработка  и координация глобального мониторинга  окружающей среды осуществляется в рамках ЮНЕП при ООН и Всемирной метеорологической организации.

Мониторинг ОКП  следует разделить на мониторинг его собственно физического состояния и мониторинг естественного и техногенного загрязнения ближнего космоса.

К физическому мониторингу ОКП относится, во-первых, прогноз «космической погоды». Далее, весьма большое значение имеет экологический низкочастотный

электромагнитный  мониторинг.

Для количественной оценки солнечной активности, играющей основную роль в формировании «космической погоды», применяются индексы, связанные с реальными потоками электромагнитного излучения. Наиболее часто используется индекс F10.7 – величина потока радиоизлучения Солнца на волне 10,7 см (2800 МГц), хорошо соответствующий изменениям суммарной площади солнечных пятен и количеству вспышек во всех активных областях.

Техногенная засорённость ОКП достигла к началу XXI в. весьма значительных величин, что привело к созданию службы мониторинга техногенной космической обстановки: от датчиков прямого соударения до средств наблюдения наземного и космического базирования. Эта же служба позволяет следить и за естественным космическим мусором в ОКП. Так как фрагменты космического мусора дрейфуют на своих орбитах под влиянием неравномерности гравитационного поля, солнечного ветра и магнитных бурь, требуется постоянное обновление сведений о космическом мусоре и ведение постоянно корректируемого банка данных о нём. До настоящего времени такого банка, подобного банку об ИСЗ, пока не существует.

Техногенная космическая  обстановка – целостное, включающее в себя множество техногенных  космических тел, образование, состояние  которого определяется условиями нахождения этих тел в ОКП и факторами иного рода, со свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных техногенных тел и не вытекающих из этих свойств. Задачи,

решаемые в  процессе мониторинга техногенной  космической обстановки, определяются совокупностью взаимосвязанных моделей:

1)информационными моделями (обеспечивают решение задач оценки состояния техногенной космической обстановки);

2)моделями оценки пространственно-временного распределения техногенных космических тел (включают в себя также модели актуализации, подразделяются на глобальные (универсальные по области применения) и локальные, в частности, модели геостационарной области);

3)моделями оценки состояния техногенной космической обстановки (рис.1)

Выбор средств мониторинга ОКП определяется пропусканием атмосферой и ионосферой Земли падающего на неё электромагнитного и корпускулярного излучения.

Это позволяет  разделить средства мониторинга  ОКП на наземные, использующие все виды астрофизических приборов для регистрации излучений, и космические, в которых такие приборы, наряду с датчиками соударений, размещаются на искусственных космических объектах.

К наземным средствам мониторинга относятся  радиолокационные, лазерные и оптические устройства, позволяющие вести наблюдения вплоть до геостационарных орбит.

Одним из основных средств мониторинга  ОКП являются оптические наблюдения, позволяющие обнаруживать, сопровождать, распознавать космические тела размерами от 5 см на низких орбитах до 1 м на геостационарных орбитах. Единственным недостатком оптических систем является их прямая зависимость от условий наблюдения, что в значительной степени стимулирует создание оптических систем мониторинга ОКП космического базирования.

К основным методам оптического мониторинга  относятся методы астрометрии и небесной механики, предоставляющие данные для определения орбит, многоцветная фотометрия, спектральный и поляриметрический методы (некоординатная информация), необходимые для распознавания объектов. Все эти методы образовали новую науку, занимающуюся мониторингом ОКП – околоземную астрономию.

К средствам  оптического мониторинга ОКП  можно в принципе отнести любой телескоп, с помощью которого можно обнаружить объект, произвести измерения его орбиты и оптических характеристик.

При исследовании техногенного мусора в ОКП применяются главным образом телескопы на монтировках, специально разработанных для наблюдения ИСЗ. Исключения составляют наблюдения на геостационарных орбитах.

Общая картина исследований техногенного состояния ОКП: глубина проводимых исследований разбита на пять уровней, от эпизодических наблюдений до полного мониторинга всех техногенных и естественных объектов в ОКП. 

Рис. 4. Уровень исследований техногенного состояния ОКП с помощью наземных средств:   1 – cтатистические методы; 2 – координатные измерения параметров движения; 3 – координатные измерения параметров вращения; 4 – радиолокационные измерения параметров орбит в метровом и дециметровом диапазоне; 5 –  радиолокационные исследования в сантиметровом и миллиметровом диапазоне; 6 – фотометрические методы; 7 –  спектральные методы; 8 – поляризационные методы; 9 –  базисные фотометрические исследования; 10 – базисная спектрометрия; 11 –  измерения с помощью двухпозиционных РЛС со сверхдлинными базами в международной интерферометрической сети; 12 – базисная поляриметрия 

Следует отметить, что полного мониторинга  не достигает ни один из методов  исследования естественного и техногенного загрязнения ОКП.

Близким к четвёртому уровню, то есть случаю достаточно систематическим исследованиям, близки координатные измерения параметров орбит объектов в геостационарной зоне оптическими методами, исследование фотометрических параметров искусственных космических объектов и их обломков.

Периодическими  исследованиями (соответствующими третьему уровню) являются радиолокационные измерения параметров орбит искусственных объектов и астероидов в ОКП, измерения положения объектов в ОКП при радиолокации в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

Внеатмосферный  мониторинг техногенного состояния  ОКП только ещё начинает развиваться. Внеатмосферные телескопы значительно выигрывают в чувствительности по сравнению с наземными. Кроме того, при применении космических средств обнаружение ранее неизвестных фрагментов космического мусора позволяет:

—  уменьшить дальность наблюдения и, следовательно, обнаруживать фрагменты малого размера;

—  проводить  контроль  параметров  движения  техногенного мусора в любое время  суток, обеспечивая непрерывность  мониторинга;

—  обеспечивать в связи с этим решение задачи с помощью одного космического аппарата.

Задача  мониторинга космического мусора с  размерами, меньшими 0,1-1 см, решают системы контактной регистрации ударов на основе специальных датчиков. Функционирование таких датчиков основывается, по крайней мере, на четырёх физических явлениях. Это механическое замыкание двух расположенных один над другим электродов из металлической фольги, разделённых тонкой диэлектрической прокладкой, резкое увеличение электропроводности диэлектриков под действием развивающихся при ударе высоких давлений, пьезо-эффект и быстрая деполяризация электрически поляризованных сред.

При изучении воздействия космического мусора на объекты в ОКП показано, что  существует принципиальная возможность  использования плоских СБ для  измерения параметров частиц космического мусора.

Таким образом, к началу XX века сформировалась система  мониторинга, позволяющая оценивать  как физическое состояние ОКП, так  и загрязнённость его естественными  и техногенными отходами. Вместе с  тем, можно отметить, что в этой области остаётся ещё масса проблем, требующих решения и на принципиальном, и на практическом уровне. 

5. Заключение

К началу XXI в. околоземное космическое пространство стало значительным фактором научного, общественного, коммерческого использования.

Весьма важным параметром, характеризующим общее состояние ОКП, является его загрязнение космическим мусором естественного происхождения.

Одним из последствий появления осколков небесных тел в ОКП является явление, называемое космической опасностью: возможность соударения Земли с астероидом, метеором или ядром кометы. Однако, основной проблемой является в настоящее время проблема техногенного загрязнения ОКП. В общем виде это:

—  загрязнение  природной среды и ОКП вредными продуктами сгорания ракетного топлива и его несгоревшими остатками;

—  космический  мусор в ОКП;

—  падение  техногенных отходов на Землю;

—  взрывы ядерных зарядов, общая радиоактивность;

—  техногенные  катастрофы;

—  последствия  аварий и столкновений космической  техники в ОКП.

Околоземное космическое пространство как глобальная составляющая окружающей биосферу среды является многокомпонентной динамической системой со сложным образом изменяющимися параметрами, состояние которой во многом определяет процессы в самой биосфере.

С выходом  человечества за пределы биосферы вопросы контроля состояния ОКП приобретают особое значение. Разработка методов охраны и рационального использования ОКП должна базироваться на исследованиях в рамках его экологии и может явиться одной из важнейших научных, технических и даже этических проблем третьего тысячелетия. Здесь, в заключение, можно выделить ряд моментов:

—  на   современном   этапе   весьма   важной  является   задача определения  предельно допустимых техногенных  воздействий на ОКП и в дальнейшем их контроля;

— методы охраны и рационального использования  ОКП не должны использовать технологии, вредно воздействующие на ОКП и биосферу;

—  они  должны быть направлены на снижение засорённости как ОКП, так и биосферы;

—  применяемые  в будущем методы охраны и рационального использования ОКП не должны энергетически превышать предел, выше которого ОКП не сможет вернуться к первоначальному устойчивому (или какому-либо устойчивому, но несколько отличающемуся по параметрам от первоначального) состоянию.