У міру того, як кількість глобальних космічних запусків неухильно зростає, збільшується і кількість небезпечного космічного сміття, що входить в атмосферу і падає назад на Землю, підвищуючи ймовірність того, що рано чи пізно станеться катастрофа. Більшість космічного сміття настільки мала, що повністю згоряє при падінні. Найбільші об'єкти, які запускає НАСА і більшість інших космічних агентств, зазвичай здійснюють «контрольований» вхід в атмосферу: підштовхувані ракетними двигунами, вони падають у віддалені й безлюдні райони планети. Але зростання космічної активності, що продовжується, привело до збільшення числа більш ризикованих неконтрольованих входів в атмосферу.
Наразі вчені знайшли новий спосіб моніторингу таких потенційно небезпечних об'єктів, що падають в атмосферу Землі. Виявляється, звукові удари, зафіксовані наявними мережами сейсмометрів, можуть відстежувати траєкторії спуску і визначати місця падіння космічних апаратів і великих уламків, що вийшли з ладу. Дослідження, проведене під керівництвом Бенджаміна Фернандо, наукового співробітника Університету Джонса Хопкінса, у співпраці з Костянтиносом Хараламбусом, науковим співробітником Імперського коледжу Лондона, було опубліковано в журналі Science.
"Це дуже корисний додатковий інструмент у нашому арсеналі", - говорить Джонатан Макдауелл, астрофізик з Центру астрофізики Гарварду та Смітсонівського інституту та спеціаліст з відстеження космічних польотів, який не брав участі у дослідженні. Він зазначає, що оптичні телескопи та радіолокаційні системи регулярно відстежують космічне сміття, але обидві системи важко відстежують уламки, що розпадаються при вході в атмосферу, а оптичні системи дійсно працюють тільки вночі. "Звукові удари повинні працювати як вдень, так і вночі", - говорить Макдауелл. "А оскільки ці сейсмічні мережі вже працюють, ви можете отримати це практично „безплатно“, як тільки дізнаєтесь, як проводити аналіз".
Джерела дослідження сягають 2 квітня 2024 року, коли модуль вагою 1,5 тонни, залишений на орбіті у 2022 році китайським пілотованим космічним кораблем «Шеньчжоу-15», здійснив неконтрольований вхід в атмосферу на надзвуковій швидкості. Пролетівши зловісно над великими населеними пунктами на шести континентах, падіння орбіти цього великого і важкого модуля викликало міжнародне занепокоєння і навіть спонукало Космічне командування США передбачити, що уламки зрештою впадуть у Північній Атлантиці. Цей прогноз виявився невірним на тисячі кілометрів. Хоча модуль в основному згорів, проносячись по небу над південною Каліфорнією, і підтверджених уламків не було виявлено, ті, що досягли Землі, ймовірно, впали в Тихий океан або на заході США.
Фернандо, який також вивчає позаземні землетруси на Марсі та інших планетах, вирішив уважніше вивчити це питання, усвідомивши, що ударні хвилі від уламків надзвукового «Шеньчжоу-15» мали проявлятися у вигляді звукових ударів у щільній мережі сейсмометрів, що охоплюють сейсмонебезпечну південну Каліфорнію. Коли він та Хараламбус вручну проаналізували загальнодоступні дані з цих мереж, вони виявили, що вхід в атмосферу було зареєстровано більш ніж на 120 станціях моніторингу. Разом вони проаналізували час приходу найсильніших ударних хвиль у кожному місці.
"Завдяки цьому ми змогли визначити швидкість, швидкість зниження, кут нахилу і траєкторію [модуля], а також дослідити, як він зруйнувався в атмосфері", — каже Фернандо, додаючи, що ця методика, якщо її масштабувати та автоматизувати, може працювати «майже в реальному часі», протягом декількох хвилин або навіть секунд після перших звуків, коли потреба у точному відстежуванні досягає піка. "Щойно об'єкт починає горіти та руйнуватися в атмосфері, його стає досить складно відстежувати, — каже він, — що також ускладнює розуміння його впливу на атмосферу, ризику, який він становить для авіації, і загрози, яку він становить у будь-якому місці, де може впасти на землю".
Усі ці питання аж ніяк не тривіальні. Багато вчених атмосферологів дедалі більше стурбовані різким збільшенням рівня випарованих аерокосмічних матеріалів у верхніх шарах атмосфери, деякі з яких можуть завдати шкоди захисному озоновому шару Землі. Авіапасажири вже стикалися з ситуаціями, близькими до катастрофи, наприклад, коли минулого року випробувальний політ космічного корабля Starship компанії SpaceX розкидав уламки територією Карибського басейну, змусивши літаки здійснити маневри ухилення. Список великих уламків, що впали на Землю надто близько до населених районів, викликає серйозне занепокоєння. І, крім прямої загрози зіткнення, деякі з цих уламків містять матеріали, такі як радіоактивні ізотопи для ядерних реакторів або летюче, токсичне ракетне паливо, що становлять велику небезпеку для навколишнього середовища.
Звукові удари навряд чи забезпечать достатньо часу, щоб, скажімо, пасажирський літак зміг уникнути зіткнення зі шматком космічного сміття, що падає. Але цей метод може виявитися вкрай важливим для точного визначення небезпечних уламків на землі, що допоможе у роботах щодо їх пошуку та ліквідації наслідків. Він також може кардинально змінити моделі руйнування об'єктів на великій висоті. "Це дійсно важливо, - говорить Макдауелл, - як для проєктування космічних апаратів, які більш ефективно руйнуються при вході в атмосферу, так і для розуміння того, наскільки сильно космічний апарат випаровується в атмосферу, потенційно змінюючи її хімічний склад".
Більш важливе питання полягає в тому, чи будуть зроблені значні інвестиції для зміни стану справ, що давно склався. "Протягом 60 років ми дозволяли об'єктам безконтрольно входити в атмосферу, знаючи, що для більших об'єктів якась їхня частина досягне поверхні, — каже Макдауелл. — Ми просто сподівалися, що це нікого не вдарить по голові й не завдасть іншої шкоди. Але зрештою, нам не пощастить".
Фернандо пропонує два шляхи розв'язання цієї проблеми, обидва з яких розглядають відстеження звукових ударів як завдання обробки великих даних. Перший шлях передбачає використання наявних сейсмічних мереж, особливо у західному узбережжі США, де такі мережі вже міцно вкоренилися і де орбітальна динаміка диктує збільшення кількості подій входу в атмосферу. Другий шлях зосереджений на створенні нових спеціально розроблених мереж в інших частинах світу, що стикаються зі зростальною кількістю космічного сміття. "Візьмемо, наприклад, екологічно чутливий Великий Бар'єрний риф біля північно-східного узбережжя Австралії", - каже Фернандо. "Там із [стартового майданчика на китайському острові] Хайнань падає безліч китайських ракет. Створення там сейсмічної мережі коштуватиме надзвичайно дешево порівняно з альтернативами, такими як будівництво мережі радіолокаційних станцій".
Експерти сподіваються, що громадськість і політики звернуть увагу на зростальну проблему космічного сміття. "Ситуація лише погіршуватиметься", — каже Фернандо. "Боюсь, що космічному сміттю не буде приділено належної уваги доти, доки не станеться щось справді катастрофічне — а я думаю, ймовірність цього становить 100 відсотків".
