Проект: "Космос и экология".

ПРОЕКТ  На тему:  «КОСМОС И ЭКОЛОГИЯ» Общая формулировка проблемы. Всё взаимосвязано со всем. А значит, и шага нельзя ступить, не задев, а порой и не нарушив чего­либо из окружающей среды. Атомная энергетика и ракетно­ космическая техника стали неотъемлемой частью хозяйственной деятельности человека. На долю атомных электростанций приходится сегодня 17% от общей мировой   выработки   электроэнергии,   а   в   некоторых   странах,   например   во Франции,   АЭС   вырабатывают   более   65%   потребляемой   электроэнергии. Немыслим   современный   мир   и   без   средств   космической   связи,   телевидения, навигации, метеорологии, исследования природных ресурсов Земли.  Термин «космос» происходит от греческого слова kosmos – мир, Вселенная. Понятие  «экология   космоса»  можно   определить   как   совокупность   научных   и практических проблем, связанных с эксплуатацией ракетно­космической техники и её влиянием на окружающую среду (рис.1). Снимок скопления Вестерлунд 2 был сделан в инфракрасном и видимом свете. Он был опубликован в честь 25­летия нахождения телескопа Хаббл на орбите Земли.  Характерной особенностью развития космонавтики является связь с глобальными проблемами экологии. Космонавтика уже сегодня позволяет осуществлять глобальный контроль за антропогенными изменениями природной среды, рациональным использованием природных ресурсов, способствует развитию «безотходных, энергосберегающих технологий   и   в   перспективе   за   счет   космической   индустрии   обеспечит экологическую разгрузку Земли.  Но   одновременно   интенсивное   освоение   околоземного   космоса   может привести к весьма ощутимым воздействиям на окружающую среду, последствия которых трудно предсказать. Вслед за освоением водных просторов и атмосферы неизбежным   было   проникновение   человека   в   космос,   которое   привело   к возникновению новых научных направлений – космической геодезии, биологии и медицины,   космохимии,   космического   мониторинга   и,   конечно,   космической экологии. Космическая техника открывает возможности по­новому поставить изучение нашей планеты. Спутники обеспечивают точность работы навигационных систем во всём мире, а космические системы позволяют функционировать спутниковому телевидению, прогнозировать погоду, разведывать полезные ископаемые и т. п. Да,   от   развития   космических   технологий   человечество   получило   большую пользу,   но   с   другой   стороны   и   вред.   А   именно   загрязнение   космического пространства.   Околоземное   космическое   пространство   (ОКП)   представляет собой   внешнюю   газовую   оболочку,   которая   окружает   планету.   Оно   играет огромную   роль   в   сложнейших   солнечно­земных   взаимосвязях,   определяющих условия   жизни   на   Земле.   Антропогенные   воздействия   на   ОКП,   связанные   с началом космической эры, весьма опасны. Ближний космос, или ОКП, уязвимее, нежели другие среды, поскольку количество вещества в нем неизмеримо меньше, а энергетика процессов гораздо слабее по сравнению с тропосферой, а тем более гидро ­ и литосферой.  Выделяют следующие виды воздействия человека на эту среду: 1) выброс химических веществ вследствие работы двигателей ракет; 2) создание энергетических и динамических возмущений в результате полетов ракет; 3) загрязнение твердыми фрагментами, космическим мусором; 4) электромагнитное излучение радиопередающих систем; 5) радиоактивное загрязнение и жесткое излучение от ядерных энергетических установок, используемых на космических аппаратах; Одним из наиболее опасных загрязнений является механическое.  Отрицательное   значение   техногенных   воздействий   на   окружающую   среду происходит уже на этапе выведения ракет на орбиту.  Любой   космодром   –   это   зона   повышенной   опасности.   Почвы   загрязнены солями   тяжёлых   металлов   (хром,   никель,   марганец,   цинк)   и   органическими соединениями   (нефтепродукты,   этиленгликоль).   Грязь   из   почвенного   слоя преобразуется   в   пыль   и   попадает   в   водоёмы,   действуя   негативно   на растительность,   рыб,   других   обитателей,   накапливаясь   в   донных   отложениях. Туда же попадают поверхностные сточные воды. На   космодроме   соседствуют   горючие   и   воспламеняющиеся   компоненты ракетных топлив и источники воспламенения в виде искр. Кроме того, ракетное топливо   весьма   токсично.   Главное   на   космодроме   –   защитные   технические сооружения.  Даже запуск ракеты сказывается негативно на состоянии окружающей среды. Отработанные   газы   отравляют   биосферу,   прохождение   ракеты   в   атмосфере влияет  на  её  состав  и   движение,  возвращение  ступени   ракеты  создаёт   угрозу живым существам. Космос всё больше засоряется космическим металлоломом. Первый искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР в 1957 г Один из пионеров космонавтики Ю.В.Кондратюк написал в 1929 г. о задачах освоения космоса[1]: это – «возможность получить новые знания, в том числе – что­либо непредвиденное; возможность использовать вещества с других планет; для улучшения жизни на Земле».   В самом деле, сегодня трудно представить себе развитие цивилизации без искусственных   аппаратов   в   космосе.   Они   открыли   человечеству   уникальную возможность   получения   научных   знаний   о   Вселенной:   проведены   прямые исследования   поверхностей   некоторых   планет,   их   спутников   и   комет, исследуется   Земля   из   космоса,   изучается   космическими   аппаратами   Солнце, изучаются особенности поведения человеческого организма в космосе (в целом враждебном для человека) и т.д. Космические аппараты приносят человечеству и практическую   пользу   в   качестве   метеорологических,   телекоммуникационных, навигационных и других службах. Озоновый слой При   запусках   космических   ракет,   происходит   образование   озоновых   дыр, разрушение   озонового   слоя.   Вопросам   разрушения   озонового   слоя   Земли уделяется большое внимание. Озоновый   слой,   несмотря   на   малые   размеры,   играет   огромную   роль   в сохранении жизни на Земле. Он поглощает наиболее жёсткую и опасную часть ультрафиолетового   излучения,   которое   губительно   действует   на   все   виды бактерий   и   планктона,   т.   е.   на   основание   всей   биологической   пирамиды. Нарушение первичного элемента экопирамиды вызовет гибель морской флоры и фауны. Фитопланктон перерабатывает углекислый газ и высвобождает чистого кислорода больше, чем все леса планеты. Уменьшение фитопланктона приведёт к тому,   что   в   атмосфере   будет   оставаться   лишний   углекислый   газ   и   Земля задохнётся. От воздействия ультрафиолетового излучения происходят мутации флоры и фауны,   сельскохозяйственных   культур   и   домашних   животных,   нарушается иммунная   система   человека,   увеличивается   рост   раковых,   инфекционных   и вирусных   заболеваний.   Всё   это   происходит   потому,   что   жизнь   на   планете адаптирована только к мягкому спектру ультрафиолетового излучения Солнца.  Уменьшение озонового слоя приведёт к увеличению нагрева Земли, усилению ветра, наступлению пустынь и резкому изменению климата. При   запуске   ракет   в   атмосферный   газ   выбрасывается   большое   количество молекул воды, они разрушают озоновый слой, а в ионосфере образуются дыры диаметром в сотни километров.  Под озоновой дырой понимают пространство в ионосфере, характеризующееся понижением концентрации озона. Так как воды на больших высотах нет, то даже сам факт её появления в ионосфере становится фактом загрязнения природной среды и нарушением естественного равновесия. Могут   возникнуть   искусственные   облака   и   зоны   пониженной   плотности,   что вызывает нарушение связи. Наблюдаются также аномальные свечения. В   результате   полётов   стратосферных   самолётов,   запусков   ракет   и использования фреонов к настоящему времени произошло истощение озонового слоя на 8­9%. Трёхсот запусков «Спейс шаттла» достаточно, чтобы полностью уничтожить озоновый слой Земли. Полное   исчезновение   озонового   слоя   означало   бы   полное   прекращение высших форм жизни на планете. Потому сохранение озонового слоя – глобальная задача человечества. Однако   до   сих   пор   действующих   средств   защиты   озонового   слоя   от воздействия   ракетоносителей,   от   выбросов   продуктов   сгорания   ракетного топлива в атмосферу пока нет. Участие России в решении проблемы стратосферного озона обусловлено её международными   обязательствами,   вытекающими   из   венской   конференции   о защите озонового слоя Земли (1985г.), Монреальского протокола о веществах разрушающих   озоновый   слой   (1987г.)   ратифицированного   Российской федерацией в 1993г. В 1994г. РФ ратифицировала рамочную конвенцию ООН об изменении   климата,   конечная   цель   которой   заключалась   в   стабилизации концентрации   парниковых   газов   на   условиях,   не   оказывающих   опасного воздействия на глобальную климатическую систему. Возникновение проблемы космического мусора  За 50 лет космической деятельности было осуществлено около 5000 запусков почти   6000   спутников,   из   которых   к   настоящему   времени   управляемыми остается лишь небольшая их часть.  Общая   накопленная   масса   объектов   искусственного   происхождения   в околоземном пространстве близка к 6000 тоннам. По мере увеличения космической активности (реально в конце 80­х годов 20 века) начали осознавать новую и неожиданную проблему появления техногенного космического мусора.  Падение   Протона,   российской   ракеты­носителя,   подняло   новый   виток обсуждений этой темы. На момент падения в Протоне оставалось порядка 218 тонн 978 килограммов токсичного топлива – гептила. Растворившееся в воздухе вещество   образовало   ядовитое   облако.   По   данным   Всемирной   организации здравоохранения, гептил является веществом первого класса опасности и даже в малых дозах вызывает тяжелые отравления.  Количество   гептила,   падающего   на   землю,   исчисляется   многими­многими тоннами, а площадь загрязненной территории составляет, по оценке независимых экспертов, порядка 100 миллионов гектаров.  С дальнейшим  развитием  космонавтики  проблема загрязнения окружающей среды становится все острее. Ведь даже то, что долетает до околоземной орбиты (к счастью, это большинство спутников и ракет) не вечно, и, отслужив свое, тоже должно   куда­то   падать,   угрожающе   лавируя   среди   исправных   космических аппаратов и сгорая в плотных слоях атмосферы. Или не сгорая? Сумка с инструментами улетает в космос. 18 ноября 2008 года. МКС. STS­126 Орбиты известных обломков спутника «Фэнъюнь FY­1C» Во многих научно­фантастических романах и рассказах вновь, как кошмарный сон, возникает все тот же старый сюжет: ужас в глазах астронавтов, какая­то глыба   мчится   на   нас,   отчаянные   маневры,   виртуозный   пируэт   корабля   по мановению руки хладнокровного пилота и — о, чудо! — случайный космический снаряд,   этакий   межпланетный   айсберг,   остался   далеко   позади.   Но фантастический   репертуар   беллетристов   скоро,   пожалуй,   пополнит   реальную практику управления космическими кораблями — уж слишком много объектов кружит возле нашей планеты, и столкновения с этими льдинками далеко не так безобидны, как может показаться на первый взгляд. Речь идет именно о льдинках — не о крупных астероидах и кометах, которые ведь не пересекают околоземный фарвакуум кораблей и спутников. Речь идет о... следах нашего пребывания в космосе,   о   фрагментах   конструкций   космических   аппаратов,   которые   давно вышли   из   строя,   но   все   еще   снуют   вокруг   Земли,   угрожая   действующим кораблям.  Используется для фотографирования спутников и космического мусора Камера Бейкера­Нанна. По подсчетам немецкого астронома Михаэля Освальда, в настоящее время на околоземной   орбите   находится   свыше   330   миллионов   объектов,   созданных руками   человека,   если   учитывать   только   объекты   диаметром   более   одного миллиметра. В основном это — мусор: брошенные спутники, сгоревшие ракетные двигатели,   потерянные   инструменты,   крышки   и   колпачки,   всевозможные крепежные   элементы   —   замки,   скобы,   болты,   которые   высвобождаются, например,   при   отделении   ракетных   ступеней,   —   шлаки,   выброшенные   из твердотопливных двигателей, и, прежде всего, множество обломков оставшихся после взрыва крупных объектов, скажем, отслуживших свое спутников или ракет. Размер подавляющего большинство рукотворных объектов не превышает одного сантиметра.  Причины взрывов космической техники. Понятно,   что   основная   причина   появления   такого   количества   мусора техногенного   происхождения   –   это   взрывы.   Взрываются   химические   батареи, бортовые   двигательные   установки   в   уже   неактивных   аппаратах, неизрасходованное топливо в топливных баках ракет­носителей, давно и успешно выполнивших   свои   функции   и   оставшиеся   в   околоземном   космическом пространстве (рис. 6).  В результате взрыва основной объект и вся его масса разлетается в виде бесчисленных фрагментов широкого спектра масс и сообщенных им скоростей. Эти взрывы и разрушения можно назвать самопроизвольными. Были   проведены   и   преднамеренные   взрывы,   так   в   январе   2007   года   в результате   испытания   баллистического   кинетического   противоспутникового оружия   был   разрушен   спутник   «Фенгюн­1с».   Образовалось   облако   из   35000 обломков   величиной   более   1   см,   а   900фрагментов   оказались   достаточно крупными и были занесены в каталоги постоянно отслеживаемых объектов КМ (рис.7).  Высоты   распространения   этого   мусора   заняли   орбиты   длительного существования со средней высотой около 850 км (от 200 до 4000 км). Это облако сейчас считается самым опасным, образовавшимся с начала космической эры. Чем опасен космический мусор? В   результате   любого   взрыва   вместо   одного   объекта   образуется   облако фрагментов,   которые   получают   дополнительные   ускорения   в   произвольных направлениях. Вначале облако имеет высокую плотность и представляет собой постепенно   расширяющийся   эллипсоид,   обращающийся   по   той   же   орбите,   по которой   двигался   аппарат   до   взрыва.   Затем   фрагменты   постепенно деформируются, расползаясь по орбите и превращаясь в тор с осью вращения, совпадающей  с осью вращения  Земли.  Со  временем  этот  тор  охватывает   всю Землю. Внутри тора фрагменты движутся по самым разнообразным траекториям, образуя вокруг Земли облако космического мусора в качестве составной части окружающей среды. Обломки, появившиеся на высотах менее 400 км, живут всего несколько лет, т.к. за счет естественного торможения частиц атмосферой происходит процесс самоочищения: часть фрагментов сгорает в атмосфере, а наиболее крупные из них   выпадают   на   Землю.   Нижние   ступени   ракет­носителей   падают   зачастую почти целиком. Случались падения самих спутников, не вышедших на заданную орбиту.   Незадолго   до   входа   в   атмосферу,   что   обычно   случается   на   высоте порядка  120   км,   скорость   падающего   фрагмента   бывает   около   30000  км/час. Поверхности   Земли   достигают   компактные   и   массивные   аппараты.   На поверхности Земли оказывается около 40% их массы.  До   сих   пор   ущерб,   причиненный   падениями   техногенных   объектов   на поверхность Земли, можно считать локальным. Китайская орбитальная станция «Тяньгун-1» больше нет. Многотонная конструкция, падения которой последние дни с опасением ждали в большинстве в итоге сгорела над южной частью Тихого океана. стран мира,  В   настоящее   время   специалисты   начали   обсуждать   проблему   опасности столкновения действующих аппаратов с мусором. Некоторые события в космосе указывают   на   столкновения,   как   на   возможные   причины   нарушения   работы активных спутников. С увеличением  количества спутников вероятность таких событий будет неуклонно возрастать.  Повреждение панели шаттла «Индевор» из­за столкновения с космическим мусором во время полета 2007 ода Максимальная концентрация мусора наблюдается на высотах 800­1000 км и около   1400   км.   Возможность   столкновений   в   этой   области   давно предсказывалась экспертами. Каждый взрыв выбрасывает в окрестность ГСО около тонны КМ. В   двадцатом   веке   количество   ежегодных   запусков   достигало   100­120.   В настоящее   время   число   запусков   сократилось   до   60­70   в   год.   Ежегодно фиксируется 4­5 взрывов в космосе.  По оценкам специалистов, если ситуация не изменится   (не   станет   меньше   запусков,   не   увеличится   срок   активной   жизни спутников),  то в ближайшие 50­100 лет нас ожидает критическая ситуация. Международная активность по проблеме Космического мусора Нет   никаких   других   механизмов   естественной   очистки   космического пространства   от   космического   мусора,   кроме   торможения   и   последующего сгорания в атмосфере. Проблема космического мусора – это проблема всех стран, занимающихся космической   деятельностью.   И   работают   над   ней   специалисты   космических агентств многих стран.  Необходимым условием для поддержания активной деятельности человечества в космосе является консолидация знаний обо всех известных объектах в космосе.   Первая задача в этой работе – уменьшение космического мусора с помощью предупреждения орбитальных взрывов, очищение (удаление) масс из областей с высокой  плотностью  фрагментов. Без  принятия  необходимых  мер на высотах 800­1400   км   возможен   уже   в   скором   будущем   неконтролируемый   каскадный процесс саморазмножения фрагментов КМ.  Область орбит (800­1400км) и Геостационарная орбита объявлены охраняемыми из­за   их   интенсивной   эксплуатации   коммерческого   и   научного   назначения.   В целях очищения области орбит 800­1400 км рекомендуется снижать космические аппараты и ступени ракет после 25 лет их эксплуатации до пределов действия эффекта атмосферного торможения или уводить на высоты выше2000 км. Для   исчерпавших   свои   энергетические   ресурсы   объекты   геостационарной орбиты рекомендована «орбита захоронения» на 300 км выше геостационарной. Очень   важная   часть   «конца   жизни»   космических   систем   –   пассивация:   все резервуары   топлива   должны   быть   очищены   во   избежание   взрывов,   которые случаются по окончании активной жизни полезной нагрузки, и по выполнении своей работы ступенями ракет­носителей.  В  России   проблемой  космического   мусора   занимается   ООО  «Космическая экология», резидент «Фонда Сколково». Оно работает в двух направлениях: ­ первое относится к пассивным методам борьбы с мусором – ограничению его роста. ­   другой   подход   –   активная   «чистка»   космоса   –   также   представлен   в разработках «Космической экологии». Для этого должен служить многоразовый универсальный   транспортно­стыковочный   модуль.   Планируется,   что   он   будет способен   захватывать   разнообразные   техногенные   объекты,   чтобы транспортировать их либо на низкие орбиты, с которых они постепенно будут опускаться на Землю и погрузятся в воды океана, либо на орбиты захоронения. Заключение Лучший способ избавиться от проблемы ­ решить ее. Брендан Франсис  Разумеется, это только часть предлагаемых мер по обеспечению безопасности космической   деятельности.   И   главное,   что   осознали   космические   державы   и международные   организации   –   это   то,   что   процесс   засорения   космоса   имеет глобальный международный характер. Не может быть засорения национального околоземного   пространства,   есть   засорение   окружающей   Землю   космической среды. Остаётся надежда, что в настоящем столетии люди Земли будут использовать космонавтику, прежде всего для улучшения жизни на Земле.