Welche Auswirkungen wird das De-Orbiting Tausender Satelliten auf die Atmosphäre haben?

Zu dieser Frage wurde in den letzten Jahren nicht viel geforscht, aber einige Forscher sind besorgt genug, um an Holzsatelliten zu forschen . Die Frage nach den Umweltauswirkungen von deorbitierenden Satelliten, die in der oberen Atmosphäre verglühen, wurde teilweise in einem Bericht von 1994 (Warnung: nicht von Experten begutachtet) des Environmental Management of the Space & Missile Systems Command in den Vereinigten Staaten behandelt. Ihr Hauptaugenmerk lag damals auf der Betrachtung der Auswirkungen von Weltraumschrott auf das Ozon, und sie kamen zu dem Schluss, dass Weltraumschrott nur sehr geringe Auswirkungen auf das stratosphärische Ozon hat . Sie betrachteten zwei Arten von Aufprall mit einer Kombination aus Labor- und Modellmessungen:

• Heterogene Mechanismen oder kleine Partikel (in ihrem Fall Al₂O₃), an denen ein Ozonabbau stattfinden kann (z. B. in polaren Stratosphärenwolken). Der Bericht zitiert Experimente von Marino Molina (MIT), aus denen sie schließen, dass es 10⁴ – 10⁵ Jahre dauert, um ein Prozent des stratosphärischen Ozons zu zerstören . Obwohl klein, scheint es, dass eine große Zunahme der Wiedereintrittsmasse dazu motivieren sollte, diese Studie erneut zu betrachten; Wenn ihre Zahlen korrekt sind und die Zahlen linear sind, würde eine Erhöhung um den Faktor 1000 10–100 Jahre bedeuten, um 1% des stratosphärischen Ozons zu zerstören, nahe genug, um zumindest einige Sorgen zu rechtfertigen, obwohl höchstwahrscheinlich immer noch im sicheren Bereich (es gibt immer eine natürliche Menge an Ozonzerstörung und -regeneration).

• Homogene Mechanismen: Raumfahrzeugfarbe und der Zeldovich-Mechanismus produzieren Stickoxid, aber die Studie schätzt, dass die Farbe die Zerstörung eines Ozonmoleküls pro Milliarde Tage verursacht und der Zeldovich-Mechanismus noch weniger, so dass, wenn ihre Schlussfolgerungen richtig sind, dieser Mechanismus vernachlässigbar ist.

Es kann andere Auswirkungen als den Ozonabbau geben, aber Ozon ist wahrscheinlich die empfindlichste Substanz, die unter den Auswirkungen des Wiedereintritts von Trümmern aus der Umlaufbahn leiden kann, um die wir uns in der Praxis Sorgen machen müssen.

Die Auswirkungen sind wahrscheinlich noch gering, aber um diese Frage tatsächlich zu beantworten, müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

1. Wo zerbricht der Satellit?
2. Welche Schadstoffe werden dabei freigesetzt und wie viel davon?
3. Welche Lebensdauer haben diese Schadstoffe?
4. Was ist das endgültige Schicksal dieser Schadstoffe nach ihrer Lebensdauer?

Eine vollständige Antwort würde ein eingehendes Studium erfordern. Wir haben große Fortschritte bei der Wiederherstellung des Ozonlochs gemacht und lassen uns nicht noch einmal überraschen; Schließlich erwarteten nur wenige Menschen, dass Kühlschränke Hautkrebs verursachen. Um die Fragen etwas anzusprechen:

1. Ein Vergleich mit der Gesamtmasse der Atmosphäre ist nicht sinnvoll. Die gesamte atmosphärische Masse ist nicht relevant, da Satelliten in der oberen Atmosphäre aufbrechen, die im Vergleich zum Rest sehr dünn ist. Die Stratosphäre tauscht nicht viel Masse mit der unteren Atmosphäre aus, daher können Substanzen sehr lange in der Stratosphäre bleiben (es sei denn, sie werden durch chemische Reaktionen zerstört oder sind schwer genug, um aufgrund der Schwerkraft herunterzufallen).
   Sie brauchen nicht viel Masse, um eine hohe Wirkung zu erzielen. FCKW haben Konzentrationen im Bereich von Teilen pro Milliarde, können aber mit ihrer Lebensdauer von Jahrzehnten große Mengen an Ozon abbauen und tun dies auch. Wir können das Problem also nicht einfach nur aufgrund von Überlegungen zur atmosphärischen Masse abtun.

2. Die Materialien, aus denen Satelliten gebaut werden, unterscheiden sich von Treibmitteln, die beim Start verwendet werden. Daher kann man Satelliten nicht einfach als weitaus weniger massiv als Raketentreibstoffe abtun und daher die Auswirkungen des Wiedereintritts im Vergleich zu den Auswirkungen des Starts als vernachlässigbar erklären. Ein Großteil eines Satellitenmaterials ist Metall, das sich ziemlich schnell ablagert (siehe nächste Frage), aber andere Materialien könnten theoretisch einen Einfluss haben (John et al. betrachteten Farbe und kamen zu dem Schluss, dass ihr Einfluss vernachlässigbar war). Einige Satelliten enthalten ungewöhnliche Materialien: Kosmos 1402 zum Beispiel war ein sowjetischer Spionagesatellit, der einen Kernreaktor und damit Treibstoff enthielt. Leifer et al. (1987) haben gezeigt, dass mehr als ein Jahr nach Cosmos-1402 ein 53±20%iger Überschuss von ^{235 deorbitiert wurde}U wurde in einer Höhe von 36 km gemessen. Ich weiß nicht, was seitdem passiert ist. Glücklicherweise wird Starlink keine Kernreaktoren enthalten.

3. Die Lebensdauer, oft definiert als Halbwertszeit oder die Zeit, die es dauert, bis sich die Konzentration halbiert, ist entscheidend für die Bestimmung der Wirkung. Ein herunterfallendes Metallstück hat keinen Einfluss auf die Atmosphäre, wohl aber ausschließlich anthropogene FCKW, die jahrzehntelang vorhanden sind, selbst in relativ geringen Konzentrationen. Ich weiß nicht, ob jemand die Lebensdauer des ²³⁵ U von Kosmos geschätzt hat, aber Murphy et al. (2018) haben möglicherweise Hinweise darauf in der oberen Troposphäre gefunden (sie fanden ein Teilchen und konnten die Quelle nicht nennen). Aufgrund seiner geringen Konzentration ist dies eher von akademischem Interesse als ein Grund zur Sorge.

4. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, wie eine Substanz die obere Atmosphäre verlassen kann: durch physisches Verlassen (in die Troposphäre) oder durch Zerstörung (chemische Reaktion). Wenn es die Troposphäre erreicht, hat es eine sehr geringe Konzentration im Vergleich zu Schadstoffen, die von der Oberfläche stammen, und wenn es reagiert, gehen wir zurück zu Frage 2. Größere Partikel können schnell herunterfallen, aber Moleküle können eine Weile dort bleiben. Die John et al. fanden heraus, dass hauptsächlich die kleinen Partikel den Ozonabbau verstärkten.

Fazit: Die Auswirkungen sind wahrscheinlich gering, aber das Potenzial für den Ozonabbau, wenn der Wiedereintrittsfluss um mehrere Größenordnungen erhöht wird, ist wahrscheinlich ausreichend, um ein spezielles Forschungsprojekt zu rechtfertigen, um dies erneut zu quantifizieren. Und jede erkennbare Auswirkung ist eine Auswirkung, die es wert ist, überwacht zu werden, selbst wenn die Auswirkung innerhalb sicherer Grenzen liegt. Jemand schreibt einen Vorschlag für ein Forschungsstipendium ;)

Relevante Papiere, die ich gefunden habe:

• Leifer et al., Detection of Uranium from Cosmos-1402 in the Stratosphere, Science, 23. Okt. 2017, doi: 10.1126/science.238.4826.512
• Murphy et al., Ein Aerosolpartikel mit angereichertem Uran, das in der entfernten oberen Troposphäre angetroffen wird, Journal of Environmental Radioactivity, Band 184-185, April 2018, Seiten 95-100.
• John et al., The Impact of Deorbiting Space Debris on Stratospheric Ozone, 1994 ( siehe Online-PDF ).

Die Masse der Erdatmosphäre beträgt 5E+18 kg und die Troposphäre allein hat 3/4 davon. Bei einer durchschnittlichen Höhe von 13 km macht das sein Volumen aus$4 \pi r^2 h$oder etwa 6,6 E + 18 m ^ 3.

Wenn wir eintausend 100-kg-Satelliten in halbporöse PM2,5-Partikel zerlegen , ergibt das 1,5E-08 Mikrogramm pro Kubikmeter, und wir machen uns im Allgemeinen Sorgen um Dutzende von Mikrogramm pro Kubikmeter, wenn es um Partikel geht.

Natürlich werden wir sie definitiv einatmen!; Am Ende wären ein paar Satellitenpartikel in jedem Kubikmeter Luft, bis sie sich absetzten oder vom Regen aufgenommen und ausgewaschen würden, aber das ist nichts im Vergleich zu dem Mist, den wir jede Minute einatmen. Anthropogene Partikel lagern ständig radioaktives, flüchtiges und krebserregendes und mit Schwermetallen beladenes Material so tief in unserer Lunge ab, dass die Zilien es nicht wieder herausbringen können. Eine abgebrannte Konstellation ist dagegen nichts.

Laut dieser Antwort auf Wird die Erde schwerer oder leichter? Jedes Jahr gelangen 4E+07 kg Meteoritenstaub in unsere Atmosphäre, und Menschen, die Staub von Dächern sammeln und ihn mit Magneten trennen, können Ihnen etwas davon zeigen!

Eintausend 1000-kg-Satelliten sind nur 0,25 % des jährlichen meteorischen Einfalls. Wir müssen uns viel mehr Gedanken über Partikel machen, die wir aus Autos und der Industrie produzieren, als über die Deorbitierung einer Satellitenkonstellation!

Auch; Wie @Uwe betont, werden der Erdatmosphäre für jedes Kilogramm, das wir in die Umlaufbahn bringen, mehrere zehn Kilogramm Material hinzugefügt. Einige davon werden Kohlenstoffpartikel aus Kerosin und LOX sein, aber jedes Mal, wenn ein Start SRBs (Solid Rocket Boosters) verwendet, werden viel mehr Partikel eingeführt, weshalb SRB-Auspuff so viel heller leuchtet als Keralox und warum das so leuchtet viel heller als Methalox. Siehe die folgenden Seite-an-Seite-Vergleiche:

• Was macht Abgase von SRB-Treibmitteln auf Aluminiumbasis so hell?
• Wie rangieren Raketentreibstoffkombinationen in Bezug auf "Helligkeit"?
• Was ist die Ursache für das blaue Licht von LH2/LOX-Raketentriebwerken?
• Ist es möglich, verschiedene Farben im Raketenabgas zu erzeugen?

unten: Screenshot aus dem NASA-Video Smoke and Fire! Space Launch System Rocket Booster Test der NASA als Beispiel für Rußpartikel, die von einem (in diesem Fall ziemlich großen) Feststoffraketen-Booster erzeugt werden.

Zu diesem Thema wurde letzten Monat ein Artikel veröffentlicht .

Heute stürzt täglich eine halbe Tonne Satelliten in die Erdatmosphäre. Es wird erwartet, dass eine Konstellation wie Starlink, sobald sie vollständig entfaltet ist, dazu führen wird, dass 2 Tonnen Satelliten pro Tag in die Atmosphäre eintreten. Diese Zahl sollte mit der Anzahl der Starlink-ähnlichen Konstellationen multipliziert werden.

Zwei Tonnen pro Tag sind möglicherweise kleiner als die 54 Tonnen Meteore pro Tag, die durch die Erdatmosphäre gehen. Aber im Gegensatz zu uhohs Antwort ist die Menge an Materie, die von Satelliten kommt, nicht direkt mit der Menge an Meteoriten vergleichbar, da die Zusammensetzung der beiden sehr unterschiedlich ist. Die Tatsache, dass die Gesamtmasse viel kleiner ist, spielt keine große Rolle, wenn die Zusammensetzung anders ist (vergleichen Sie das Hinzufügen einer Tonne Stickstoff in die Atmosphäre mit dem Hinzufügen einer Tonne FCKW: Die Wirkung auf die Atmosphäre wäre sehr unterschiedlich. Dies könnte eine sein extremes Beispiel, aber Sie bekommen die Idee). Satelliten enthalten zum Beispiel viel Aluminium, während Meteoriteneinfälle Sauerstoff, Magnesium und Silikate und nur 1 % Aluminium enthalten. Damit würde sich der Eiseneintrag mindestens vervierfachen.

Jede Mega-Konstellation wird Feinstaub produzieren, der die natürlichen Formen der atmosphärischen Aluminiumablagerung in großen Höhen bei weitem übertreffen könnte

Dieses Aluminiumoxid aus einer großen Konstellation von Satelliten könnte möglicherweise die Ozonschicht stören. Und Aluminiumablagerungen in der Atmosphäre wurden vorgeschlagen, um die Albedo der Erde zu erhöhen.

Um der Diskussion eine weitere Perspektive hinzuzufügen:

Der Massenanteil der Satelliten, die aus natürlich im Sonnensystem vorkommenden Materialien bestehen, also Eisen, wird wahrscheinlich keinen nennenswerten Einfluss haben, da die Gesamtmasse der natürlichen Objekte, die auf die Erde treffen, weitaus größer ist als die der Satelliten, die wieder in das Sonnensystem eintreten werden vorhersehbare Zukunft:

Die NASA gibt eine Schätzung von 44.000 kg Meteoritenmaterial an, die jeden Tag auf die Erde treffen (Quelle, auf die in einem Kommentar zu einer verwandten Frage hingewiesen wird ). Der größte Teil dieses Materials wird beim Eintritt verdampft.

Der Punkt ist, dass wieder eintretende Satelliten in viel geringerem Umfang dazu beitragen. Daher ist dieser Effekt vernachlässigbar.

Diese Antwort bezieht sich nicht auf besonders giftige Substanzen, die in Satelliten oder allgemein in künstlichen Materialien enthalten sind, sondern nur auf solche, die der Atmosphäre ständig auf natürliche Weise und in großen Mengen zugeführt werden.