Экология космического пространства

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.

АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОЗОННЫЙ  СЛОЙ

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

В середине 70-х  годов одна из мощных отраслей промышленности США, производящая аэрозольные упаковки, содержащие фторхлоруглероды (фреоны), оказалась под угрозой ликвидации. В прессе публикации на тему “Атака на фреоны” потеснили на время светские новости и сообщения уголовной хроники, а в редакции газет поступали требования об изъятии упаковок с фреонами из продажи. Губернаторы штатов Орегон и Нью-Йорк выступили с заявлениями о готовности подписать законопроект, запрещающий продажу аэрозольных упаковок.

Причиной всех этих событий стала статья известных  специалистов по аэрономии Ф. Роланда и М. Молина в журнале “Нейчур” (“Природа”). В этой статье, названной “О возможных неблагоприятных последствиях, связанных с попаданием фторхлоруглеродов в атмосферу”, авторы в результате модельных расчетов пришли к выводу, что накопление фреонов в атмосфере может привести к уменьшению стратосферного озона. Отмечалось, что это, в свою очередь, приведет к увеличению потока ультрафиолетового излучения Солнца у поверхности Земли и как следствие к возможному увеличению заболеваний людей раком кожи, гипертонией, неврозами.

Однако атака  на фреоны натолкнулась на стойкую  защиту фреонов. От “нападающих” потребовали  более точных оценок, поскольку ряд  косвенных фактов, связанных с  существованием и вариациями хлорсодержащих соединений в атмосфере, не давал особых оснований бить тревогу. Более того, на озон могут оказывать воздействие и другие малые составляющие антропогенного происхождения — например, соединения азота, которые также эффективно взаимодействуют с молекулами озона.

Следует подчеркнуть, что проблема атмосферного озона достаточно сложна и носит комплексный характер. Дело в том, что озон есть лишь отдельное (хотя и очень важное!) звено в сложной системе, которую представляет собой атмосфера. Достаточно сказать, что на содержание малых составляющих в стратосфере, которые могут вступать в реакции с молекулами озона, оказывает влияние до 85 различных реакций одновременно. Параметры ряда важных реакций этой сложной “фотохимической кухни” пока еще не определены.

В связи с  этим упрощенные оценки того или иного эффекта в озонном слое без учета комплексного характера всей системы могут скорее обозначать остроту определенного направления в решении проблем “озонного щита”.

Фреоны дают от 50 до 70% общего количества хлора, попадающего  в стратосферу. Для сравнения можно указать, что основной естественный источник стратосферного хлора —- вулканические извержения -— обеспечивает поступление от 5 до 30% стратосферного хлора. Таким образом, в стратосфере преобладает хлор антропогенного происхождения, и именно рост антропогенного вклада в общий баланс хлорсодержащих соединений будет определять содержание хлора в стратосфере и его роль в дальнейшей эволюции озоносферы.

По имеющимся  оценкам, важную роль в балансе стратосферного озона играют и соединения азота, которые обеспечивают до 70% фотохимического стока молекул озона. Однако в отличие от хлора в общем балансе соединений азота в стратосфере преобладают естественные, а не антропогенные источники.

Можно сравнить различные антропогенные источники азота и хлора в стратосфере для того, чтобы оценить относительный вклад перспективных транспортных космических систем в баланс озона в стратосфере.

Особо надо сказать  о влиянии таких антропогенных  воздействий на атмосферный озон, как ядерные взрывы в атмосфере и вызванные ими геофизические эффекты. Реальность таких воздействий подтверждается наблюдениями содержания озона в начале 60-х годов, когда такие взрывы в атмосфере были регулярными. Эффекты уменьшения озона в атмосфере после взрывов отмечались в течение нескольких лет.

В последние  годы исследованиям озонного слоя уделяется  весьма значительное внимание в связи  с обнаружением и наблюдением  в течение нескольких лет озонной  дыры над Антарктидой. Не останавливаясь здесь подробно на этих исследованиях, отметим, что их результаты свидетельствуют о наличии целого ряда естественных процессов в атмосфере, приводящих к образованию озонных дыр.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ  ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Если бы во времена  М. Фарадея, заложившего в середине прошлого века основы учения об электромагнетизме, какая-то цивилизация проводила поиски братьев по разуму, прослушивая электромагнитный эфир, то можно быть уверенными, что в районе Солнечной системы она никаких признаков земной цивилизации не обнаружила бы. Однако в наши дни при таком поиске должно быть зарегистрировано в Солнечной системе “пятно” радиоизлучения, имеющее явно искусственную природу. Искусственное происхождение излучения подтвердилось бы и зависимостями излучений от времени и их спектральными характеристиками.

Это искусственное  “радиопятно”, так контрастно выделяющееся на фоне радиоизлучения других небесных тел,— - наша планета. Естественное радиоизлучение в окрестности Земли складывается из различных источников: атмосферных электрических помех, теплового радио излучения Земли, космического радиоизлучения, радиоизлучения Солнца и планет. Именно эти источники определяли характеристики электромагнитного эфира во времена М. Фарадея. Однако в настоящее время земная цивилизация обеспечивает значительную долю радиоизлучений в околоземном пространстве.

Можно сказать, что цивилизация “шумит” во всех диапазонах радиоспектра — от очень  низкочастотного (менее 30 кГц) до сверхвысокочастотного (более 3 ГГц), заметно изменяя естественную электромагнитную обстановку около Земли.

Источниками искусственных  радиоизлучений, хотя и малой интенсивности, являются также спутники и другие космические аппараты, вращающиеся  вокруг Земли.

Электромагнитный  эфир в наши дни настолько насыщен  искусственными радиоизлучениями, что Международному союзу электросвязи пришлось “наводить порядок”, строго распределяя частотные диапазоны между различными потребителями. И все же в эфире “тесно”, и в этом легко убедиться, покрутив ручку настройки радиоприемника. Таким образом, мы имеем дело со своеобразным “электромагнитным загрязнением среды” — - в данном случае радиоэфира.

При больших  плотностях радиоизлучений (когда напряженность  полей искусственной радиоволны сопоставима или превышает напряженность  естественных полей в ионосферной плазме) над отдельными радиостанциями, особенно в коротковолновом диапазоне, наблюдаются заметные воздействия искусственных радиоизлучений на параметры околоземной плазмы.

Общая схема  процессов, происходящих при воздействии  мощного радиоизлучения на ионосферу, такова. Электроны ионосферной плазмы, ускоряясь электрическим полем радиоволны, приобретают дополнительную кинетическую энергию. Часть этой энергии они передают ионам и нейтральным частицам посредством столкновений. В результате происходит увеличение средней кинетической энергии частиц плазмы, иными словами, происходит нагрев ионосферной плазмы. Последний вызывает изменение проводимости плазмы и некоторых других параметров.

В последнем  случае возникают так называемые нелинейные явления в ионосфере, связанные с ее нагревом проходящей радиоволной, а этот нагрев влечет за собой изменение концентрации электронов в зоне прохождения радиоволны. Характер протекания процессов воздействия существенно зависит от высоты. В F-области ионосферы нагрев сопровождается уменьшением плотности плазмы в результате частичного ухода, “выталкивания” плазмы из нагретого пространства. В расположенных ниже Е- и D-областях нагрев плазмы вызывает увеличение электронной концентрации за счет того, что в нагретой плазме менее эффективно идет процесс электронной рекомбинации.

На основании  имеющихся данных можно полагать, что “экологическая нагрузка” радиоизлучающих  средств на ионосферу в настоящее  время невелика. Однако со временем, особенно над промышленно развитыми  районами земного шара, эта возрастающая “нагрузка” может каким-то образом проявиться в ионосфере. В результате ионосфера над промышленными районами земного шара может несколько отличаться от ионосферы, скажем, над пустынями или океанами. Насколько это окажется важным для цивилизации — вопрос, на который должны дать ответ будущие исследования “экологии” ионосферы.

Если нелинейные явления при воздействии мощных ВЧ- и СВЧ-радиоволн проявляются  преимущественно в ионосфере, то воздействие мощных низкочастотных излучений особенно заметно в магнитосфере. Некоторые неожиданные последствия такого рода воздействий, имеющие явно антропогенный характер, рассмотрены ниже.

В июне 1980 г. в  Будапеште во время очередной XXIII сессии КОСПАР было проведено заседание, тема которого была не совсем обычной даже для этой организации, правилом которой является представление и обсуждение только последних, самых “свежих”, данных экспериментальных исследований. “Круглый стол” —- так обычно называют обсуждение актуальных и спорных вопросов -— собрал ученых разных стран и различных •специальностей. Дискуссия, развернувшаяся за “круглым столом”, была посвящена вопросу о возможном влиянии электромагнитных излучений промышленных комплексов и систем связи на ионосферу и магнитосферу.

Одним из поводов горячей дискуссии послужил так называемый эффект уикэнда (т. е. “конца недели”), обнаруженный при проведении измерений очень низкочастотных (ОНЧ) электромагнитных излучений на поверхности Земли и в космосе. Оказалось, что аналогичный эффект был обнаружен и при анализе геомагнитных данных.

Интенсивность низкочастотных излучений во время  уикэнда (т. е. в субботу и воскресенье) существенно уменьшается по сравнению  с рабочими днями.

Поскольку природа  вряд ли “живет” в такт с недельным  циклом деятельности человека, естественно предположить, что обнаруженный эффект уикэнда в уровнях геомагнитной активности и ОНЧ-излучений представляет собой своеобразное “эхо” производственной деятельности земной цивилизации.

Чем же можно  объяснит ОНЧ-излучение?Этот вопрос можно было бы решить довольно просто постановкой всего лишь одного эксперимента. Для этого достаточно было бы просто выключить на Земле все источники ОНЧ-излучений, т. е. электростанции, промышленные предприятия, и посмотреть, что при этом “делается” в околоземном пространстве.

Увы, такой “простой”  эксперимент за пределами возможностей не только ученых, но и цивилизации. Но выход может быть найден на пути тщательных патрульных наблюдений и  измерений параметров околоземной  среды, а также путем постановки специальных контролируемых экспериментов с ОНЧ-излучениями.

МОНИТОРИНГ  ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Хотя экология околоземного пространства как наука  сама по себе еще только зарождается  и ее представления и методология  в окончательном виде пока не определены, в то же время она уже достигла определенной степени “зрелости”, характеризуемой переходом от наблюдения к эксперименту, к активным методам исследования окружающего мира. Действительно, в настоящее время происходит постепенный переход к использованию активных методов исследований околоземной среды, когда околоземное пространство из объекта наблюдений превращается в своего рода гигантскую природную лабораторию, используемую учеными для различных целей.

Можно сравнить околоземное космическое пространство со своеобразной плазменной установкой, которая открывает уникальные возможности для экспериментаторов при исследованиях плазменных процессов в космосе.

Термин “активные  эксперименты” подчеркивает различие новых методов исследования околоземного пространства по сравнению с традиционными наблюдательными пассивными методами, при которых проводятся только измерения параметров среды. При использовании активных методов изучается реакция околоземной среды на контролируемое возмущение, производимое путем инжекции плазмы, нейтрального газа, пучков частиц и электромагнитных излучений. Поэтому иногда эксперименты в космосе, связанные с использованием активных методов, называют контролируемыми. Это подчеркивает связь между откликом среды и начальным возмущением, параметры которого контролируются.