Экологические аспекты космического пространства

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (СГАУ)"

Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности

Реферат на тему:

"Экологические аспекты космического пространства"

Самара 2009

Содержание

Введение

1. Общая формулировка проблемы

2. Техногенное воздействие на окружающую среду при эксплуатации

ракетно-космической техники

3. Засорение околоземного и космического пространства

Заключение

Список использованных источников

Введение

Термин "космос" происходит от греческого слова kosmos -- мир, Вселенная.

Проникновение человека в космос -- естественный и логический шаг. Вслед за освоением водных просторов и атмосферы неизбежным было начало освоения космического пространства. Необходимость этого была обусловлена двумя основными причинами: получением новых средств и возможностей научного исследования и познания мира, поиском новых источников для удовлетворения энергетических потребностей населения Земли, а значит, и решения одной из глобальных экологических проблем.

Измерения, проведенные с помощью спутников, космических зондов, направленных к Луне, Венере, Марсу и другим планетам Солнечной системы, как бы раздвинули границы контактов Земли с мировым пространством. Впервые получена картина обтекания магнитосферы нашей планеты порывистым солнечным ветром, состоящим в основном из протонов и электронов [3].

Освоение космического пространства стимулирует возникновение новых научных направлений в исследовании Земли и Вселенной.

Современный мир немыслим без космонавтики, достаточно сказать, что спутники обеспечивают точность работы навигационных систем во всем мире, а космические системы позволяют функционировать спутниковому телевидению, прогнозировать погоду, разведывать полезные ископаемые и т.п. Спутники раннего обнаружения ядерных взрывов и других техногенных катастроф позволяют получать информацию практически в реальном времени.

Однако вместе с этим освоение космоса может привести к весьма ощутимым техногенным воздействиям на окружающую среду, последствия которых трудно предсказать. Эксплуатация ракетно-космических комплексов ставит ряд экологических проблем, важнейшими из которых являются:

Вредное воздействие продуктов сгорания ракетного топлива на атмосферу Земли.

Проблема разрушения озонового слоя Земли.

Засорение космического пространства фрагментами ракетно-космической техники.

Необходимость отчуждения под районы падения отделяющихся частей ракет-носителей по трассам их пусков больших участков земли.

1. Общая формулировка проблемы

Космическое пространство постепенно станет своеобразной частью среды обитания и деятельности человека, произойдет расширение содержания понятия "окружающая природная среда" с включением в это понятие околоземного космического пространства. Таким образом, уже сейчас идет процесс экологизации космоса, под которым понимается "расширение сферы обитания человека, его взаимодействия с природой до космических масштабов, выход сферы взаимодействия общества и природы за пределы планеты, процесс освоения, "социализации" Вселенной".

С другой стороны, сама космическая техника способна также вызывать определенные возмущения в окружающей космической среде. Это происходит за счет поступления продуктов сгорания ракетного топлива в атмосферу при запусках космических аппаратов, за счет выбросов различных газообразных, жидких и твердых веществ с космических аппаратов при их функционировании на орбитах и при перемещении в космическом пространстве и т.д. Однако имеющиеся данные показывают, что в настоящее время суммарное воздействие на атмосферу, связанное с космической деятельностью человека, значительно меньше влияния, обусловленного его хозяйственной деятельностью на Земле.

С целью изучения проблемы антропогенных воздействий на околоземное космическое пространство, связанных с деятельностью человека, как на Земле, так и в космосе, в 1976 г. по решению КОСПАР (Комитет по космическим исследованиям при Международном совете научных союзов) была создана комиссия по рассмотрению подобных возможных вредных воздействий на космическую среду. На конференции КОСПАР в 1979 г. этой комиссией были сообщены основные направления проводимых исследований, а в 1982 г. опубликованы некоторые предварительные результаты исследований по проблеме антропогенных воздействий на околоземное космическое пространство.

Имеющиеся на сегодня климатические данные уже достаточны для того, чтобы утверждать: человек действительно влияет на климат в глобальном масштабе, и это влияние только усиливается в последние годы. Температура не просто растет, а растет все быстрее и быстрее в течение всего XX века, и особенно стремительно -- последние сорок лет.

Разработка специальных экологических программ осуществляется в соответствии с законодательством Российской Федерации в области использования атомной энергии, законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей среды, программами социально-экономического развития Российской Федерации и с учетом:

необходимости реабилитации радиационно-загрязненных участков территории и охраны окружающей среды;

направлений социально-экономического развития субъектов Российской Федерации, на территориях которых находятся радиационно-загрязненные участки;

радиационной безопасности населения, уровней радиационного загрязнения участков территории, задач их реабилитации;

включения в специальные экологические программы мер по социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации в результате радиационных аварий, в том числе мер по охране здоровья таких граждан и их переселению из населенных пунктов, подвергшихся радиоактивному загрязнению;

объема финансирования специальных экологических программ за счет поступлений от внешнеторговых операций с облученными тепловыделяющими сборками ядерных реакторов [1].

2. Техногенное воздействие на окружающую среду при эксплуатации ракетно-космической техники

Основное техногенное воздействие при предстартовой подготовке проявляется в виде загрязнения окружающей среды компонентами жидкого ракетного топлива и их парами. В настоящее время на фазе предстартовой подготовки полета разработаны эффективные мероприятия, позволяющие существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Например, процессы нейтрализации паров и жидкой фазы окислителя с помощью поглотителей, дожигание горючего в специальных аппаратах.

Существует гипотеза, что запуск сверхтяжелых ракет-носителей служит стартовым импульсом крупномасштабных колебаний геофизической системы, причем энергия колебаний этой системы превышает энергию, выделившуюся при сгорании ракетного топлива. Частный вид колебаний -- это волны деформации земной коры, способные спровоцировать землетрясение в наиболее напряженных ее участках, находящихся в зоне влияния запуска.

Существенным фактором экологической нагрузки на окружающую среду является выброс продуктов сгорания из двигателя. Современные мощные ракеты-носители при выведении на орбиту полезной нагрузки массой в несколько десятков тонн расходуют топлива в 20 -- 30 раз больше массы полезного груза. Например, стартовая масса американской ракеты "Сатурн-5" составляла 2900 т, тогда как ее полезный груз -- около 100 т. В результате при каждом пуске мощной ракеты выбрасывались в атмосферу сотни тонн продуктов горения.

Кроме этого, на активном участке полета ракетоносителей на окружающую среду воздействуют следующие факторы: образование ударных волн и скачков уплотнения при движении ракетоносителей, достигших трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей, и как следствие газодинамическое возмущение атмосферы; разрушение озонового слоя в стратосфере; уменьшение концентрации заряженных частиц в ионосфере; падение отработанных ступеней ракетоносителей на Землю по трассам спуска и т.д.

Несмотря на то, что озоновый слой, защищающий Землю от вредного воздействия солнечного коротковолнового излучения, располагается на высотах ~20 - 50 км, проблема образования так называемых "озоновых дыр" постоянно упоминается в связи с запусками мощных ракет-носителей. До настоящего времени продолжаются споры между учеными относительно того, какие же факторы в наибольшей степени способствуют разрушению озонового слоя.

Озон разрушается, например, в результате воздействия водяных паров, содержащихся в большом количестве в продуктах сгорания ракетного топлива, а также оксидов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под действие высоких температур в факелах ракетных двигателей. И практически при полете любой ракетоносителей в озоновом слое образуется "окно".

Уже в 60-х годах исследователи, проводившие наблюдения ионосферы во время запусков мощных ракетоносителей, обратили внимание на необычные явления в ионосфере: после запуска ионосфера, казалось бы, исчезает вблизи следа ракеты, но через час-другой картина нормальной ионосферы восстанавливалась. Было высказано предположение, что газы, выбрасываемые в ионосферу при полете ракеты, "выталкивают" разреженную ионосферную плазму. В результате в ионосфере образуется область с пониженной плотностью плазмы -- "дыра", которая после расплывания облака газа снова затягивается.

Толчком к дальнейшему исследованию явлений в ионосфере, сопровождающих запуски ракетоносителей, стало обнаружение так называемого "Скайлэб-эффекта", который был выявлен при запуске в мае 1973 г. мощной ракеты-носителя "Сатурн-5", выводившей в космос станцию "Скайлэб". Двигатели ракеты-носителя работали до высот 300 - 400 км, т. е. в F-области ионосферы, где располагается максимум ионизации ионосферы. Сопоставление же данных по концентрации электронов в ионосфере при запуске станции "Скайлэб" и за сутки до того показало, что эта концентрация после запуска ракеты-носителя уменьшилась на 50%, причем площадь возмущения в ионосфере по данным наблюдений радиомаяков достигла приблизительно 1 млн. кв. км.

Данные по ионосферным возмущениям при запусках мощных ракет-носителей подтвердили необходимость тщательного и всестороннего исследования воздействий существующих и перспективных транспортных космических систем на околоземную среду. К настоящему времени проведен также ряд экспериментальных исследований и модельных оценок влияния, которое оказывают выбросы двигательных установок этих систем на химический состав атмосферы.

Так, частицы аэрозоля, выброшенные двигателями ракет-носителей, могут существовать в стратосфере до года и более, что может сказаться на тепловом балансе атмосферы. Кроме того, такие продукты сгорания, как соединения хлора, азота и водорода, являются катализаторами реакций с участием молекул озона и их роль в фотохимическом цикле озона велика, несмотря на их, относительно малые концентрации в стратосфере.

Ионосферу "загрязняют" не только запуски ракет-носителей. При полетах больших космических аппаратов, например орбитальных станций, в результате микротечений и газоотделения материалов, а также работы различных бортовых систем образуется уже упоминавшаяся собственная атмосфера космических аппаратов, параметры которой могут существенно отличаться от характеристик окружающей среды. По измерениям параметров среды возле станции "Скайлэб" и МТКК было зарегистрировано увеличение давления возле этих космических аппаратов на 3 - 4 порядка по сравнению с давлением в окружающей атмосфере. Были отмечены также заметные изменения в нейтральном и ионном составе, обусловленные газовыделением материалов станции, в электромагнитных излучениях, потоках заряженных частиц.

Вопросы, связанные со снижением антропогенного воздействия ракетно-космической техники на ионосферу, находятся на стадии исследования механизмов образования ионосферных дыр и составления моделей возмущения ионосферы. Каких-либо методов снижения техногенного воздействия пока не разработано.

Кроме ионосферных "дыр", на высотах 70-90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды конденсируются и образуют кристаллики льда. В результате образуются искусственные облака, наподобие естественных серебристых облаков. Искусственные серебристые облака и зоны ионосферных "дыр" с пониженной плотностью электронов вызывают различного рода аномалии в области свечения ионосферы, распространения электромагнитных колебаний в оптическом и радиодиапазонах т. п. Кроме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания, выхлопная струя оказывает механическое воздействие на тропосферу, приводящее к образованию мощных вихревых потоков в приземном слое. Такие вихревые образования могут являться очагами смерчей, ураганов и т. п.

3. Засорение околоземного и космического пространства

Каждый запуск полезной нагрузки в космос сопровождается образованием на орбитах нескольких десятков отделяющихся элементов спутников и ракет-носителей. В результате аварий и взрывов на орбитах спутников и последних ступеней ракетоносителей, столкновений между спутниками и их обломками, отслаивания теплозащитных покрытий и т.д. околоземное пространство быстро наполняется объектами искусственного происхождения, которые получили название космического мусора.

Основная опасность космического мусора связана с космическими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с космическим аппаратом. Например, летящая в космосе частица диаметром 0,5 мм может пробить космический скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала.

В июле 1996 года на высоте около 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты Arian.

В 2001 году МКС едва не столкнулась с семикилограммовым прибором, утерянным американскими астронавтами.

29 марта 2009 года в 03:41 произошла авария спутника "Экспресс-АМ11": в результате внешнего воздействия разгерметизирован жидкостный контур системы терморегулирования; космический аппарат получил резкий динамический импульс, потерял ориентацию в пространстве и начал неконтролируемое вращение. По предварительным данным причиной аварии стал "космический мусор". Выводы комиссии подтвердили первую версию произошедшего [3].

10 февраля 2009 года коммерческий спутник американской компании спутниковой связи Iridium, выведенный на орбиту в 1997 году, столкнулся с военным российским спутником связи "Космос-2251", запущенным в 1993 году и выведенным из эксплуатации в 1995 году.

При столкновении спутника с мусором часто образуется новый, что в будущем может привести к неконтролируемому росту засорённости космоса.

Одним из способов предотвращения столкновений с фрагментами мусора является постоянное слежение за ним с помощью радиолокационных и оптических средств и раннего предупреждения опасности.

Существует естественный фактор, который способствует решению со временем проблемы космического мусора: если его выбросы прекратятся, то рано или поздно произойдет самоочищение космоса под воздействием возмущений различной природы - сопротивления атмосферы и светового давления [2].

Известны физические и математические модели самоочищения космоса, разработана программа возможных мероприятий по очистке космоса от мусора.

Для предотвращения засорения космоса весьма перспективно создание универсальных космических платформ (УКП), каждая из которых сможет заменить несколько специализированных спутников. Другим направлением, способствующим сокращению запуска космических аппаратов, является увеличение ресурса или срока их активного существования. Также возможны конструкторские проработки по исключению из ракетных блоков и космических аппаратов средств разделения с образованием свободных осколков и отделения в орбитальном полете штатных элементов конструкции. Для предотвращения появления техногенных частиц в процессе функционирования орбитальных объектов необходимо:

применение конструкций и покрытий, стойких к воздействию окружающего космического пространства, в том числе не подверженных вторичной эрозионной эмиссии;

использование для орбитальных двигателей топлив без металлических и других присадок, сгорание которых приводит к образованию твердых окисных частиц.

К эффективным методам снижения засорения космоса относятся: управляемое удаление с орбиты ступени после отделения космического аппарата и разработка программ выведения, при которых последняя ступень носителя не выходит на орбиту.

Что касается самих космических аппаратов, то после прекращения активного существования для объектов на геостационарной орбите (ГСО) предусматривается выведение бортовой двигательной установки на внешние орбиты по отношению к ГСО, а для части низкоорбитальных космических аппаратов - сход с орбиты и затопление в акватории Мирового океана. Речь идет, в основном, об устранении последствий эксплуатации ракетно-космической техники за предыдущие годы, приведшие к такому уровню засорения околоземных орбит. А, как известно, избавиться от загрязнения окружающей среды намного сложнее, чем предотвратить его.

Для уменьшения транспортных нагрузок на ближний космос и упорядочения работ по его очистке может быть предусмотрено создание орбитальных космопортов как своеобразных перевалочных баз для полезных грузов, выводимых с Земли и возвращаемых из космоса. Связь такого космопорта с Землей будет обеспечиваться регулярными рейсами многоразовой транспортной космической системы, а межорбитальные перевозки - специальными буксирами. Более сложной задачей является организация сбора и удаления из космоса мелких частиц космического мусора. Но в ближайшем будущем проводить такие меры невозможно из-за больших энергетических и экономических затрат. Поэтому, пока очищение космоса происходит только естественным путем [4].

Заключение

С космосом у людей привычно ассоциируется понятие "безбрежный", однако в известном смысле теснота в космосе уже действительно начинает ощущаться, и здесь вновь невольно напрашивается аналогия с земными экологическими проблемами. Подобно тому, как при малом количестве автомобилей несколько десятков лет назад не стоял остро вопрос о загрязнении воздуха их выхлопными газами и очень незначительной была опасность столкновений автомобилей друг с другом, так и относительно малое до настоящего времени число запусков космических аппаратов не вызывает пока серьезных опасений по поводу космических "дорожно-транспортных происшествий".

За счет сжигания топлива разных видов на Земле в атмосферу сейчас ежегодно поступает более 20 млрд. т углекислого газа и свыше 700 млн. т других газообразных соединений и твердых частиц, в том числе около 150 млн. т сернистого газа. Последний, соединяясь с атмосферной влагой, образует серную кислоту, что может приводить к выпадению так называемых кислотных дождей, отрицательно влияющих на растительный и животный мир.

Ясно, что в глобальном масштабе выбросы в атмосферу, создаваемые при запуске в течение года даже большего количества мощных ракет, ничтожно малы по сравнению с промышленными выбросами.

Конечно, обострения этих проблем можно ожидать, по-видимому, лишь в следующем столетии, однако очень важно уже сейчас глубоко и тщательно изучать все виды антропогенных воздействий на космическую среду, анализировать экологические перспективы деятельности в космосе, поскольку пренебрежение требованиями экологии и охраны окружающей среды может в конечном счете свести на нет плоды технического прогресса.

Говоря о проблемах, связанных с загрязнением космического пространства, нельзя не упомянуть о выдвигаемых проектах отправки в космос высокотоксичных и радиоактивных отходов наземных промышленных предприятий. Хотя, казалось бы, удаление таких отходов в космос более благоприятно для биосферы Земли, нежели их захоронение в шахтах или в глубинах океана (при условии, конечно, гарантии абсолютной безопасности и надежности самой операции отправки отходов с Земли), однако такие проекты требуют тщательного экологического обследования.

Околоземное пространство в целом представляет собой весьма динамичную и нестабильную систему, которая под влиянием внешних воздействий может переходить в неустойчивое состояние.

Список использованных источников

1. Нормативно-правовые акты.

2. Федеральный закон от 10.07.2001 № 92-ФЗ. (ред. от 30.12.2008) "О специальных экологических программ реабилитации радиационных загрязненных участков территории" (принят ГД ФС РФ 06.06.2001).

3. Учебники и учебные пособия.

4. Экология: учебник/ Под. ред. О.Е. Приходченко - М.: Проспект, 2007. - 512 с.

5. Интернет-ресурс: www.wikipedia.ru

6. Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник/ Под. ред. Н.И. Иванова - М.: Логос, 2005. - 510 с.