Солнечная активность помогает очищать орбиту Земли от космического мусора, выяснили ученые

Усиление солнечной активности заставляет космический мусор быстрее падать на Землю. К такому выводу пришла международная группа исследователей, изучившая поведение орбитальных обломков за последние десятилетия. Работа показывает, что Солнце не только создает угрозы для спутников и связи, но и одновременно помогает естественным образом очищать околоземное пространство.

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences. Ученые проанализировали движение 17 объектов космического мусора на низкой околоземной орбите за период в 36 лет — фактически за три полных 11-летних солнечных цикла.

Результаты оказались особенно актуальными на фоне стремительного роста количества спутников и обломков на орбите Земли.

Космос вокруг Земли становится все более переполненным

Сегодня околоземное пространство уже нельзя назвать пустым. По современным оценкам, вокруг Земли находятся десятки миллионов фрагментов космического мусора различного размера. В их число входят:

• неработающие спутники;
• отработанные ступени ракет;
• фрагменты после столкновений;
• остатки разрушенных аппаратов;
• мелкие металлические частицы и осколки.

Даже небольшие объекты представляют серьезную угрозу. На орбите они движутся со скоростью около 7–8 километров в секунду. При таких скоростях даже кусок металла размером несколько сантиметров способен уничтожить спутник или серьезно повредить космический корабль.

Проблема особенно обострилась в последние годы из-за появления мегасозвездий спутников связи. Например, система Starlink компании SpaceX уже насчитывает более 10 тысяч аппаратов на орбите, а в будущем их количество может вырасти до десятков тысяч.

На этом фоне ученые все чаще говорят об угрозе так называемого синдрома Кесслера — сценария, при котором столкновения спутников начинают вызывать цепную реакцию образования новых обломков. В крайнем случае отдельные орбиты могут стать практически непригодными для использования.

Как Солнце влияет на космический мусор

Главный вывод нового исследования связан с верхними слоями атмосферы Земли.

Когда солнечная активность возрастает, Солнце выбрасывает больше энергии в сторону Земли. Это происходит во время:

• увеличения числа солнечных пятен;
• солнечных вспышек;
• корональных выбросов массы;
• магнитных бурь.

Эта энергия нагревает термосферу — верхний слой атмосферы Земли, расположенный на высотах в сотни километров. В результате атмосфера начинает расширяться.

Хотя воздух на таких высотах чрезвычайно разрежен, для спутников и космического мусора даже небольшое увеличение плотности атмосферы имеет большое значение. Объекты начинают испытывать более сильное сопротивление, теряют скорость и постепенно снижают орбиту.

В итоге космический мусор быстрее входит в плотные слои атмосферы и сгорает.

Фактически Солнце начинает работать как естественный механизм очистки околоземного пространства.

Ученые обнаружили важный «порог»

Одним из наиболее интересных результатов исследования стало обнаружение своеобразной переходной границы солнечной активности.

Исследователи выяснили, что после достижения примерно 67–70% максимума солнечного цикла скорость снижения орбит начинает резко возрастать.

Это означает, что даже относительно небольшое усиление солнечной активности может существенно сократить время пребывания мусора на орбите.

Подобный эффект особенно заметен для объектов на низкой околоземной орбите — примерно от 160 до 1000 километров над поверхностью Земли. Именно здесь находится большая часть современных спутников связи и наблюдения.

Почему это важно для спутников

Хотя ускоренное падение мусора помогает очищать орбиту, для действующих спутников ситуация создает дополнительные проблемы.

Работающие аппараты вынуждены регулярно корректировать орбиту с помощью двигателей. Когда солнечная активность усиливается и атмосфера расширяется, сопротивление возрастает, а значит спутники начинают быстрее терять высоту.

Это приводит сразу к нескольким последствиям:

• увеличивается расход топлива;
• сокращается срок службы аппаратов;
• усложняется поддержание точных орбит;
• возрастает нагрузка на системы управления спутниками.

Особенно чувствительны к этому небольшие спутники и кубсаты, обладающие ограниченными запасами топлива.

Солнце уже уничтожало спутники

Подобные случаи уже происходили.

В 2022 году после мощной геомагнитной бури компания SpaceX потеряла около 40 спутников Starlink. Они были выведены на относительно низкую орбиту и не успели подняться выше до начала усиленного атмосферного сопротивления. В результате спутники начали быстро снижаться и сгорели в атмосфере.

Этот инцидент стал одним из самых известных примеров того, как космическая погода может напрямую влиять на спутниковые системы.

Почему солнечный цикл сейчас особенно важен

Солнце проходит через циклы активности продолжительностью около 11 лет. Во время максимумов увеличивается количество солнечных пятен, вспышек и магнитных бурь.

Сейчас человечество находится в периоде повышенной солнечной активности, а некоторые события последних лет уже стали крупнейшими за десятилетия. Например, геомагнитная буря мая 2024 года оказалась самой мощной с 2003 года.

Подобные явления влияют не только на спутники, но и на:

• GPS-навигацию;
• радиосвязь;
• авиацию;
• энергосистемы;
• космические станции.

В крайних случаях мощные солнечные бури способны вызывать перебои в работе инфраструктуры на Земле.

Почему проблема космического мусора становится критической

С каждым годом количество запусков продолжает расти.

Если раньше на орбите одновременно находились сотни спутников, то теперь речь идет уже о десятках тысяч аппаратов. Кроме SpaceX, собственные мегасозвездия разрабатывают:

• Amazon Project Kuiper;
• OneWeb;
• китайские спутниковые сети;
• европейские проекты связи.

При этом любое столкновение способно создать тысячи новых обломков.

В 2009 году столкновение спутников Iridium 33 и «Космос-2251» привело к образованию огромного количества фрагментов. А испытания противоспутникового оружия разными странами дополнительно усугубили ситуацию.

По оценкам экспертов, даже объекты размером менее сантиметра способны наносить серьезные повреждения космической технике. Более крупные фрагменты могут полностью уничтожать спутники.

Может ли Солнце полностью решить проблему

Несмотря на положительный эффект, ученые подчеркивают: солнечная активность не способна полностью очистить орбиту.

Во-первых, эффект наиболее заметен только на низких орбитах. Объекты на высотах в несколько тысяч километров могут оставаться там сотни и даже тысячи лет.

Во-вторых, количество новых запусков сейчас настолько велико, что естественное очищение не успевает компенсировать рост мусора.

Кроме того, солнечная активность сама по себе создает дополнительные риски для спутниковой инфраструктуры.

Поэтому специалисты считают, что человечеству все равно придется активно заниматься контролем орбитального мусора:

• уводить старые спутники с орбиты;
• создавать аппараты для уборки мусора;
• разрабатывать стандарты безопасного вывода техники из эксплуатации;
• ограничивать образование новых обломков.

Космический мусор уже начинает угрожать авиации

Проблема затрагивает не только космос.

По мере увеличения числа неконтролируемых сходов спутников возрастает риск падения обломков на Землю. В некоторых случаях космический мусор уже приводил к временному закрытию воздушного пространства.

Исследователи предупреждают, что вероятность попадания обломков в районы интенсивного авиасообщения постепенно растет.

Хотя большая часть мусора сгорает в атмосфере, отдельные фрагменты все же достигают поверхности Земли.

Солнце одновременно помогает и угрожает космической инфраструктуре

Новое исследование хорошо показывает двойственную роль солнечной активности.

С одной стороны, усиление активности Солнца ускоряет падение космического мусора и снижает риск накопления опасных обломков на низких орбитах.

С другой — те же процессы повышают угрозы для действующих спутников, навигационных систем и мировой инфраструктуры связи.

По мере роста числа спутников зависимость человечества от космической техники становится все сильнее. А это означает, что понимание космической погоды и солнечных циклов постепенно превращается из научной задачи в вопрос глобальной технологической безопасности.

Источники:
Статья создана по материалам Space.com