КОСМОНАВТИКА,
АСТРОНОМИЯ
5/1986
Издастся ежемесячно с 1971 г.
Л. С. Новиков,
кандидат физико-математических наук
Н. Н. Петров,
Ю. А. Романовский,
кандидат физико-математических наук
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ
КОСМОНАВТИКИ
в
приложении
этого
номера:
НОВОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ КОСМОНАВТИКИ
Издательство «Знание» Москва 1986
ББК 39.6
Н73
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
.................................................................................
3
Освоение космоса: перспективы и проблемы
...
6
Сферы, которые нас окружают
II
В космосе становится тесно ...............................................
15
Космические старты с точки зрения экологии
.
.
23
Что больше всего угрожает озонному слою?
...
30
Электромагнитный эфир во времена Фарадея и сегодня
.35
Уикэнд в космосе......................................................................39
Экспериментальная экология околоземной среды
.
43
Мониторинг околоземного пространства
....
47
«Звездные войны» — экологическая катастрофа
52
Заключение.................................................................................... 59
Рекомендуемая литература
................................................
61
НОВОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ КОСМОНАВТИКИ
.
.
62
Новиков Л. С. II др.
Н73
Экологические аспекты космонавтики/. (Л. С.
Новиков, И. Н. Петров, 10. А. Романовский).—
М.: Знание, 1986.— 64 с., ил.— (Новое в жизни,
науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономии»;
№5).
11 к.
Выход человеческой деятельности за пределы
родной
планеты
расширил понятие экологии среды обитания вплоть до околоземного
космического пространства. Антропогенная «нагрузка» на околозем
ную среду обусловлена преимущественно влиянием наземной произ
водственной деятельности и в будущем возрастет в результате раз
вития перспективных транспортных космических
систем и хозяйст
венного освоения космоса. В то же время развитие
космических
средств позволило с большей полнотой осуществлять экологически!!
контроль за биосферой. Об этих экологических аспектах и рассказы
вается в данной брошюре.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся
современными проблемами космонавтики и естествознания.
Дождливой осенью 1985 г., когда авторы работали
над этой брошюрой, в толпе москвичей, спешащих по
своим делам под очередным дождем, нет-нет да и мож
но было услышать сказанное, спорее, в шутку, чем
всерьез: «Опять спутник, наверное, запустили — погоду
испортили». Людям всегда было присуще стремление
дать объяснение различным отклонениям погоды от
«нормы», а попросту говоря, от неких средних погодных
условий, наблюдаемых на протяжении весьма ограничен
ного в историческом масштабе отрезка времени.
Естественно, что для подобных объяснений привле
кались и привлекаются некоторые новые виды человече
ской деятельности, масштабно и зримо входящие в нашу
жизнь. Уместно вспомнить, что в прошлом весьма не
лестные высказывания в связи с возможным влиянием
па погоду раздавались, например, в адрес радио. Во
всяком случае, известно, что в 1928 г. английское акцио
нерное общество «Радиопередача» было вынуждено об
ратиться в Английское метеорологическое общество с
просьбой «...опровергнуть уверенность среди широких
кругов населения, что радио вызывает ухудшение пого
ды, и сиять с радиопередач тяжкое обвинение о при
частности к дурной погоде нынешнего лета».
Сразу же надо сказать, что искусственные спутники
Земли никакого влияния на погоду не оказывают.
И если уж обсуждать космические полеты в связи с по
годой, то прежде всего следует говорить о той ценней
шей метеорологической информации, которую получают
с помощью спутников и при работе космонавтов на бор
ту орбитальных станций. Для нас стали привычными
космические снимки облачного покрова, показываемые
по Центральному телевидению в связи с очередным
прогнозом погоды. Не вызывает удивления прямое об3
ращение из телевизионной студии к космонавтам, рабо
тающим на борту орбитальной станции, с вопросом о
вероятности солнечной погоды в ближайшие выходные
дни.
Кроме того, космическая техника позволяет человеку
взглянуть на Землю со стороны, воочию ощутить огра
ниченность нашей планеты и .необходимость бережного
обращения с ее ресурсами. Не случайно именно в косми
ческую эру родилось образное выражение «космиче
ский корабль Земля», на котором земляне путешествуют
с ограниченными запасами воздуха, воды и пищи.
Надо сказать, что антропогенные воздействия, свя
занные с влиянием деятельности человека на погоду,
климат и в более широкой постановке на окружающую
природную среду, в ряде случаев становятся сейчас со
поставимыми с планетарными масштабами естественных
природных процессовИдет постепенное загрязнение
Мирового океана, нарушается естественный влагооборот, происходят, хотя пока и незначительные, изменения
в составе атмосферы и т. п.1
2.
Наблюдения из космоса за состоянием биосферы
Земли, исследования природных ресурсов, лесных и
сельскохозяйственных угодий занимают одно из цент
ральных мест в прикладной космической деятельности.
В ближайшие годы эти направления получат дальней
шее развитие, а в будущем ракетно-космическая техника
в определенной степени поможет решить проблему ис
тощения природных ресурсов за счет выноса некоторых
вредных для биосферы производств в космическое про
странство, удаления неперерабатываемых отходов за
пределы Земли и размещения в космосе крупных энер
гетических и сырьевых комплексов.
Все это дает основание говорить о том, что космиче
ское пространство постепенно станет своеобразной
частью среды обитания и деятельности человека, про
изойдет расширение содержания понятия «окружающая
природная среда» с включением в это понятие около
земного космического пространства. Таким образом, уже
сейчас идет процесс экологизации космоса, под которым
понимается «расширение сферы обитания человека, его
1 См.: Федоров Е. К. Экологический кризис и социальный
прогресс. Л.. Гидрометсоиздат, 1977.
2 См.: Споры о будущем: окружающая среда. М., Мысль, 1983.
4
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 способ
на также вызывать определенные возмущения в окру
жающей 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 функциониро
вании на орбитах и при перемещении в космическом
пространстве и т. д. Однако имеющиеся данные показы
вают, что в настоящее время суммарное воздействие на
атмосферу, связанное с космической деятельностью чело
века, значительно меньше влияния, обусловленного его
хозяйственной деятельностью на Земле.
С целью изучения проблемы антропогенных воздей
ствий на околоземное космическое пространство, связан
ных с деятельностью человека как па Земле, так и в
космосе, в 1976 г. по решению КОСПАР (Комитет по
космическим исследованиям при Международном совете
научных союзов) была создана комиссия по рассмот
рению 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 не
которые предварительные результаты исследований по
проблеме апгропогенпых воздействий на околоземное
космическое пространство1
2.
В настоящее время эти исследования приобретают
все более широкий характер. Более того, проблему ан
тропогенных воздействий на околоземное космическое
пространство можно рассматривать как составную часть
общей проблемы взаимодействия человечества с окру
жающей природной средой, т. е. проблемы, от правиль
ного и своевременного решения которой в значительной
степени зависит будущее человечества. Причем, как от
мечает председатель Государственного комитета СССР
по гидрометеорологии и контролю природной среды
1 Урсул А. Д. Экологические перспективы и космонавтика.—
Земля и Вселенная, 1976, № 2, с. 32.
- См.: Адмапсез 1’п Зрасе Кс8еагсГ|, 1982, V. 2, № 3.
5
Ю. А. Израэль, «решение этой проблемы заключается не
в ограничении развития человеческого общества, а в оп
тимизации его отношений с природой, в разумном пре
образовании природы, рациональном использовании ее
ресурсов в интересах нынешнего и будущего поколе
ний»
Это в полной мере относится к экологическим
аспектам развития космонавтики.
Настоящая брошюра посвящена рассмотрению раз
личных аспектов проблемы антропогенных воздействий
на околоземное пространство. Научная терминология в
этой области пока нс вполне устоялась. В брошюре для
обозначения комплекса вопросов, связанных с антропо
генными воздействиями на околоземное космическое
пространство, иногда будет использоваться термин «эко
логия космического пространства», который, возможно,
не является бесспорным. Этот термин следует отличать
от понятия космической экологии, под которым подра
зумевается упоминавшееся уже использование космиче
ских средств для исследования и контроля экологиче
ской обстановки в биосфере. Этот важный вопрос также
затрагивается в брошюре.
ОСВОЕНИЕ КОСМОСА: ПЕРСПЕКТИВЫ
И ПРОБЛЕМЫ
На заре космической эры, в 60-х годах, состоялось
несколько научных симпозиумов, участники которых пы
тались определить перспективы развития космонавтики.
Специалисты разных областей, расходясь в деталях
воззрений на конкретные пути развития исследований и
освоения космического пространства, были единодушны
в том, что в условиях мирного развития цивилизации
освоение космоса открывает принципиально новые воз
можности для повышения научно-технического потен
циала человечества1
2. В 70-х годах были выдвинуты не
которые принципиально новые идеи и получены новые
экспериментальные данные, определившие пути дальней
шего освоения космического пространства.
Основной тенденцией в освоении околоземного косми
ческого пространства, отчетливо проявившейся в 70-е
1 Израэль Ю. А. Проблемы охраны природной среды и
пути их решения. Л., Гидрометеоиздат, 1984.
2 См.: Космическая эра (прогноз на 2001 г.). М., Мир, 1970.
6
годы, стало решение широкого круга прикладных задач
с помощью самой разнообразной космической техники.
К настоящему времени уже созданы и интенсивно экс
плуатируются различные космические системы хозяйст
венного назначения: спутниковые системы связи, систе
мы спутниковой метеорологии, навигации, разведки по
лезных ископаемых и т. д. Многие практические задачи
сегодняшнего дня просто не могут быть решены без
применения космических систем.
Мы нс будем останавливаться здесь па задачах в
области исследования и охраны биосферы Земли, ре
шаемых с помощью космических систем, поскольку эта
тема рассматривается дальше. Отметим лишь, что на
блюдения, производимые с помощью спутников и с бор
та орбитальных станций, позволяют изучать состояние
Мирового океана и атмосферы Земли, оценивать сте
пень загрязненности сточных вод, следить за состоянием
почв, посевов и лесов на обширных территориях земной
поверхности, дают богатую информацию о сырьевых
ресурсах планеты '.
Дальнейшее развитие космонавтики, безусловно, свя
зано с использованием, совершенствованием и созданием
качественно новых долговременных научно-исследова
тельских орбитальных станций многоцелевого назначе
ния 12.
В связи с созданием модульных долговременных ор
битальных станций нового поколения и необходимостью
сооружения других крупногабаритных космических кон
струкций (например, многоцелевых космических плат
форм, орбитальных радиоастрономических комплексов
и т. д.)3 все большую актуальность приобретает прове
дение в космосе строительно-монтажных работ. И в бли
жайшем будущем такие работы, безусловно, получат
широкое развитие. Собственно, некоторые виды строи
тельно-монтажных и ремонтно-профилактических работ
в космическом пространстве уже осуществлены на прак1 См.: Коваль А. Д., Тюрин Ю. А. Космос — Земле М.,
Знание, 1979.
- См/ Береговой Г. Т. Долговременные орбитальные стан
нин многоцелевого назначения — сегодняшний и завтрашний день
советской космонавтики.— Гагаринские научные чтения по космо
навтике и авиации. М., Наука, 1984.
3 См.' Г в а м и ч а в а А. С., Кошелев В. А. Строительство
в космосе. М., Знание, 1984.
7
тике. Например, такие работы были выполнены совет
скими космонавтами па борту станций «Салют-6» и «Са
лют-7».
Надо отметить, что исследования в области космиче
ской технологии и производства на борту орбитальных
станций закладывают основы для создания в будущем
космических промышленных предприятий. В этой об
ласти на борту орбитальных советских станций выпол
нено огромное количество экспериментов по получению
сверхчистых материалов, выращиванию кристаллов, при
готовлению различных качественно новых сплавов, про
изводству лекарственных препаратов и т. д.1. Проведен
ные исследования стимулировали интенсивное развитие
ряда фундаментальных научных дисциплин, в частности
физики невесомости, опираясь на достижения которых
космическое производство продолжает уверенно разви
ваться 1
2.
Получаемая новая научная информация позволяет
более точно планировать и прогнозировать развитие
этой области космической деятельности. По современ
ных, оценкам до конца текущего столетия в космосе мо
жет быть налажено производство в относительно не
больших количествах дорогостоящих фармацевтических
препаратов, некоторых специальных кристаллов для ис
пользования в радиоэлектронике и оптике и т. п. Широ
комасштабное же производство в космосе различных
материалов для нужд промышленности является зада
чей следующего столетия.
Перспективным представляется использование (на
пример, в космическом строительстве) материалов вне
земного происхождения. На определенном этапе это мо
жет оказаться экономически более выгодным по сравне
нию с доставкой материалов с Земли. В качестве сырья
для производства космических строительных материа
лов рассматриваются минеральные ресурсы Луны и не
которых астероидов. В этой связи уже ведется реаль
ная проработка различных проектов лунных поселений,
на базе которых в перспективе могут быть созданы гор
нодобывающие комплексы и перерабатывающие пред
приятия.
1 См : Гриши а С. Д„ Лесков Л. В.. Савичев В. В.
Космическая технология и производство. М., Знание, 1978.
2 См.: Осипши Ю., Ре гель Л. Становление физики не
весомости.— Правда, 1985, 12 ноября.
8
Для энергообеспечения лунных поселении предпола
гается использовать ядерпый реактор, планируется соз
дание замкнутых систем жизнеобеспечения, прозрачных
куполов для выращивания сельскохозяйственных куль
тур и т. д. Безусловно, промышленное освоение Луны
сопряжено с необходимостью решения многих сложней
ших технических задач и будет осуществляться поэтап
но в течение десятков лет.
Надо сказать, что прогнозирование путей развитиякосмонавтики в условиях ее стремительного прогресса,
постоянного появления повой научно-технической инфор
мации, новых идей, проектов и разработок, конечно, яв
ляется чрезвычайно сложным делом. На наших глазах
в течение нескольких последних лет многие крупные
космические проекты подвергались кардинальной пере
оценке.
Подобное произошло, например, с проектом создания
спутниковых солнечных электростанций (ССЭ). Напом
ним, что проект создания ССЭ, расположенных на гео
стационарной орбите и преобразующих энергию солнеч
ного излучения в передаваемое на Землю направленное
сверхвысокочастотное радиоизлучение или лазерное из
лучение, был выдвинут в 1973 г. Согласно оценкам ССЭ
мощностью 5—10 ГВт должны оснащаться солнечными
батареями площадью 50—100 км2, максимальные по
перечные размеры ССЭ могли бы достигать 20—30 км,
а масса всей конструкции — 100 000 т.
Однако проведенный комплексный анализ показал,
что реализация проекта ССЭ встречает множество труд
ностей технического, экономического и экологического
характера. Некоторые из них мы рассмотрим дальше.
Из-за этих трудностей чересчур оптимистические прог
нозы, предсказывавшие создание промышленных ССЭ
уже в середине 1990-х годов, сменились более реали
стичными оценками, относящими создание таких ССЭ к
середине XXI в.
Но вне зависимости от конкретных путей дальней
шего развития космонавтики расширение масштабов хо
зяйственной деятельности человека в космосе в будущемможет потребовать решения проблем экологии около
земного космического пространства, являющихся до из
вестной степени характерными, и земной экологии: про
блемы воздействий космических транспортных средств
на околоземное космическое пространство и проблемы
8-
его загрязнения выбросами газообразных, жидких и
твердых отходов из космических производственных комп
лексов.
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 па космическую среду,
анализировать экологические перспективы деятельности
в космосе, поскольку пренебрежение требованиями эко
логии п охраны окружающей среды может в конечном
счете свести на нет плоды технического прогресса.
Естественно, будущие космические предприятия
должны работать таким образом, чтобы исключить по
падание их отходов в атмосфер}' Земли. Но и засорение
околоземного космического пространства, иногда не
оправданно рассматриваемого в некоторых технологиче
ских схемах как гигантский вакуумный насос, может
обернуться трудно предсказуемыми негативными по
следствиями. Кроме того, выбрасываемые отходы могут
воздействовать и па сами космические сооружения. Из
вестно. что выбросы различных веществ с космических
аппаратов приводят к образованию около него собст
венной атмосферы, к загрязнению поверхности косми
ческих аппаратов и в конечном итоге могут приводить
к нарушению их нормального функционирования ’.
Говоря о проблемах, связанных с загрязнением кос
мического пространства, нельзя не упомянуть о выдви
гаемых проектах отправки в космос высокотоксичных и
радиоактивных отходов наземных промышленных пред
приятий. Хотя, казалось бы, удаление таких отходов в
космос более благоприятно для биосферы Земли, не
жели их захоронение в шахтах или в глубинах океана
(при условии, конечно, гарантии абсолютной безопас
ности и надежности самой операции отправки отходов
с Земли), однако такие проекты требуют тщательного
экологического обследования.
В частности, необходимо всесторонне изучить воз
можные дальнейшие долговременные движения и пре
вращения выбрасываемых веществ в космическом про
странстве. Здесь могут оказаться недостаточными бы1 См.: Акишин А. И., Новиков Л. С. Воздействие окру
жающей среды на материалы космических аппаратов. М„ Знание,
1983.
10
дующие порой упрощенные представления о том, что,
например, радиоактивные отходы совершенно безвредно
для окружающей среды вольются в потоки естественной
космической радиании.
Существует и морально-этическая сторона загрязне
ния космического пространства промышленными отхо
дами. Советские ученые А. Д. Урсул и 10. Л. Школенко, активно разрабатывающие методологические аспек
ты космонавтики, подчеркивают, что при ориентации на
промышленное использование космического пространства
и небесных тел не следует переходить меру разумного.
В частности, по их мнению, «было бы неразумно, не
дальновидно и неэтично считать космос, хотя и безбреж
ный, исключительно местом свалки земных отбросов» '.
При анализе экологических аспектов освоения кос
моса, безусловно, необходим широкий диалектический
подход, предусматривающий не только сохранение ис
ходных природных условий, но и их направленное из
менение. Это в полной мере относится, например, к
выдвигаемым проектам воздействия па атмосферы
Венеры и Марса с целью приближения условий на этих
планетах к земным. Однако многочисленные уроки, по
лученные человечеством в процессе преобразования
природы Земли, заставляют относиться с крайней осто
рожностью и ответственностью к подобным действиям
в космическом пространстве.
В последующих разделах мы подробнее рассмотрим
наиболее важные проблемы экологии околоземного
пространства, но прежде посмотрим, как устроено окру
жающее Землю космическое пространство.
СФЕРЫ, КОТОРЫЕ НАС ОКРУЖАЮТ
К настоящему времени разработан ряд так называе
мых стандартных моделей атмосферы, ионосферы к
магнитосферы Земли. Эти модели отражают наиболее
существенные черты строения околоземной среды:
распределение по высоте и регулярные пространственновременные вариации давления, плотности и температуры
атмосферы, распределение электронов и ионов в про
странстве, вариации напряженности геомагнитного поля,
1 Урсул А. Д., Школен ко 10. А.
Политиздат, 1976.
Человек и космос. М.„
11
Рис. I. Зависимости некоторых параметров атмосферы от высоты:
а — распределение концентраций нейтральных составляющих и
электронов (\’с/ б — распределение температуры нейтральных со
ставляющих при минимуме (/) и максимуме (2) солнечной активности
характеристики потоков энергичных частиц и т. д.
Вертикальные разрезы различных сфер, окружающих
Землю согласно этим моделям, показывающие строение
околоземного пространства, приведены на рис. 1, а и
1, б. По горизонтальной оси здесь отложены значения
концентраций нейтральных и заряженных частиц (см.
рис. 1, а) и температуры (см. рис. 1, б), а по вертикаль
ной оси — высота. Границы, разделяющие различные
сферы в соответствии с резкими изменениями в высот
ном профиле температуры (см. рис. 1, б), обычно назы
вают паузами.
По мере удаления от поверхности Земли последова
тельно выделяются тропосфера, стратосфера и мезо
сфера, которые, вместе взятые, образуют гомосферу —
область, отличительной особенностью которой является
однородность химического состава, т. е. неизменное от
носительное содержание основных газовых составляю
щих (N2, О2, Аг и СО2). Эта однородность гомосферы
12
обеспечивается значительной турбулентностью, которая
перемешивает атмосферу. Однако при постоянстве со
держания основных газов концентрация в гомосфере
так называемых малых составляющих (ОН, Н2О, О3,
•соединения азота, серы и др.) существенно изменяется
как в пространстве, так и с течением времени.
Значительная изменчивость малых составляющих
обусловлена прежде всего влиянием быстрых фотохими
ческих процессов, в которых они образуются и исче
зают. Хотя указанные составляющие и называются ма
лыми из-за своего низкого содержания в атмосфере (ме
нее 1%), их роль в атмосферных процессах тем не менее
•очень велика. Достаточно напомнить, что озонный слой
.атмосферы, расположенный на высоте 15—50 км. надеж
но экранирует поверхность Земли и все живое от вред
ного воздействия коротковолновой ультрафиолетовой
солнечной радиации. В связи с этим не случайно озон
ный слой называют «озонным щитом» пашей планеты.
Наряду с малыми газовыми составляющими значи
тельное влияние на состояние атмосферы, на тепловой и
.динамический режим тропосферы и стратосферы оказы
вают аэрозольные частицы. Атмосферный аэрозоль, ко
личество которого существенно зависит от извержений
вулканов, пылевых бурь, характера протекания атмо
сферных процессов и антропогенных факторов, сильно
влияет и па величину потока солнечного излучения, до
стигающего поверхности Земли.
Выше 60—70 км начинается та область околоземной
среды (ее называют гетеросферой), которую некоторые
ученые уже относят к космическому пространству. На
таких высотах резко падает влияние турбулентного пе
ремешивания атмосферы, в результате чего основные
нейтральные составляющие распределяются по высоте в
основном в соответствии с их массой. Высотное распре
деление нейтральных составляющих характеризуется
параметром, который называют шкалой высот или высо
той однородной атмосферы. Ои определяет интервал вы
сот, в пределах которого концентрация частиц изменяет•ся в е = 2,72 раза.
В нижней части гетеросферы — термосфере — появ
ляется атомарный кислород, который на меньших высо
тах в атмосфере не образуется. Как видно на рис. 1, а,
газовые компоненты гетеросферы имеют различные
.шкалы высот, т. е. различным образом распределены по
13
Рис. 2. Строение магнитосферы Земли:
/ — радиационный пояс, 2 — переходная область, 3 — область по
лярного каспа, 4 — мантия, 5 — граница хвоста, 6 — область ра
зомкнутых силовых липин геомагнитного поля, 7 — плазменный
слой, 8 — овал полярных сияний, 9 — плазмосфера, 10 — радиа
ционный пояс на ночной стороне магнитосферы
высоте. Выше высот 400—600 км, где длина свободногопробега частиц достигает нескольких десятков километ
ров. термосфера переходит в экзосферу, т. е. внешнюю
сферу, в которой преобладают атомный водород н ге
лий. Протяженная область перехода экзосферы в меж
планетное пространство, состоящая из атомов водорода,
называется геокороной.
До сих пор мы рассматривали высотное распреде
ление нейтральных частиц. Однако в околоземном про
странстве, начиная с высот 60—70 км, существуют и за
ряженные частицы (электроны и ионы), относительное
содержание которых сначала невелико, затем быстро
возрастает с высотой. В нижней части этой ила гд-нпой
оболочки, называемой плазмосферой, на высотах 60—
600 км находится ионосфера. В пей выделяю| обла ги
(слон) О. Е и Г (см. рис. 1, а), отличающиеся ионным
составом и распределением концентрации электронов.
Б области Е наблюдается максимальная концентрация
электронов, достигающая на высотах 250—400 км вели
чины 105—106 см-3. Ионосфера отражает корогюво.тновое радиоизлучение, обеспечивая тем самым передачу
радиосигналов между пунктами, разнесенными на ты
сячи километров.
Распределение заряженных частиц в иоиосфере и
плазмосфере контролируется не только действием силы
тяжести и температурой, как в случае нейтральных со
ставляющих, но и в значительной степени геомагнитным
иоле.м.
На больших расстояниях от Земли (5—8 радиусов
Земли) распределение плазмы в околоземном простран
стве определяется уже сложным взаимодействием набе
гающего потока плазмы солнечного ветра с геомагнит
ным полем. Чтобы яснее представить, как происходит
это взаимодействие и каким образом оно проявляется,
обратимся к рис. 2. па котором приведена схема магни
тосферы Земли. Конфигурация магнитосферы достаточно
наглядно отражает процесс обтекания геомагнитного
поля потоком плазмы солнечного ветра.
Описание этой грандиозной картины солнечно-зем
ного взаимодействия можно найти во многих популяр
ных изданиях ’. Поэтому мы не будем останавливаться
на последовательном перечислении особенностей строе
ния магнитосферы, хорошо видных на рис. 2. Однако мы
все-таки отметим одну функцию магнитосферы, имею
щую непосредственное отношение к экологии околозем
ного космического пространства.
Это. если можно так сказать, «защитная функция»
магнитосферы. Как видно на рис. 2. магнитосфера обра
зует своеобразную защитную оболочку (хотя и доста
точно неоднородную), которая препятствует проникнове
нию солнечной корпускулярной радиации к поверхности
Земли. Проведенные исследования показали,что эта за
щитная оболочка весьма динамична и нестабильна.
Стоит произойти солнечной вспышке, при которой в кос
мос выбрасываются более интенсивные потоки плазмы
и потоки энергичных частиц, как увеличивается давле
ние на защитный магнитный экран — магнитосферу.
Под давлением солнечного ветра меняется исходная
конфигурация геомагнитного поля, возникают возмуще
ния в области вытянутых на ночную сторону геомагнит
ных силовых линий — в хвосте магнитосферы. Хвост
этот начинает раскачиваться и сжиматься, выбрасывая
к Земле плазменные сгустки. Отголоски борьбы этих
грандиозных процессов доходят до поверхности Земли
1 См., например, Дубинин Э, М., Подгорный
.Магнитные поля небесных тел. И., Знание, 1980.
И. М.
15
в виде магнитных бурь, полярных сияний, ионосферных
возмущений и, как теперь полагают, изменений погодо
образующих процессов.
Таким образом, околоземное пространство в целом
представляет собой весьма динамичную и нестабильную
систему, которая под влиянием внешних воздействий
может переходить в неустойчивое состояние с выделе
нием значительного количества энергии и развитием
крупномасштабных возмущений типа магнитосферно
ионосферных бурь. Теоретические оценки показывают,
что при определенных условиях причиной заметных воз
мущений околоземной среды могут стать и факторы
антропогенного происхождения, такие, например, как
выбросы нейтрального газа пли плазмы двигательными
установками транспортных космических систем.
Далее мы как раз и рассмотрим аспекты экологии
околоземного космического пространства, связанные с
функционированием и развитием таких систем.
В КОСМОСЕ СТАНОВИТСЯ ТЕСНО
С космосом у нас привычно ассоциируется понятие
«безбрежный», однако в известном смысле теснота в
космосе уже действительно начинает ощущаться, и
здесь вновь невольно напрашивается аналогия с земны
ми 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 опас
ность столкновений автомобилей друг с другом, так и
относительно малое до настоящего времени число запус
ков космических аппаратов не вызывает пока серьезных
опасений по поводу космических «дорожно-транспорт
ных происшествий».
Однако в будущем — при строительстве и эксплуа
тации околоземных производственных комплексов, при
промышленном освоении Лупы — ситуация может силь
но измениться. Потребуется организация широкомас
штабных грузовых перевозок на трассе Земля — космос,
на орбитах появятся крупногабаритные объекты, за
метно возрастет число искусственных объектов в около
земном космическом пространстве. Поэтому и основы
рационального решения будущих космических транс
16
портных проблем, включая их экологический аспект,
должны закладываться уже сейчас.
Перспективные транспортные космические системы ’,
построенные на базе новых высокоэффективных жидкост
ных ракетных двигателей, двигателей на твердом топли
ве и электрореактивных двигателей с солнечными энерге
тическими установками, а позже и на базе лазерных и
фотонных двигательных установок, безусловно, будут
более «экологичными», т. е. в меньшей степени загряз
няющими космическую среду, по сравнению с современ
ными. Поэтому оценки воздействия ТКС на окружаю
щую среду, основывающиеся на технических показате
лях современных ракетных двигателей, могут оказаться
сильно завышенными в случаях применения их к пер
спективным космическим проектам. Тем не менее подоб
ные оценки необходимы.
Современные мощные ракеты-носители при выведе
нии 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 ат
мосферу сотни тонн продуктов горения.
Представление о типичных транспортных операциях
в околоземном пространстве, планируемых, в частности,
при монтаже крупных сооружений на геостационарной
орбите, дает табл. 1. К примеру, если задаться целью
создать на геостационарной орбите гигантский объект
массой 100 тыс. т, то потребуется вывести на околозем
ную опорную орбиту приблизительно втрое больше гру
зов. включая топливо для буксировки собранного на низ
кой орбите объекта на геостационарную орбиту. Даже
ориентируясь на будущие сверхтяжелые носители, спо
собные выводить в космос полезный груз 300 т, мы по
лучим, что для обеспечения космического строительства
в таких масштабах потребуется запустить около 1000
ракет. При этом в атмосферу будет выброшено в общей
сложности 6—9 млн. т продуктов сгорания ракетного
топлива.
1 См.:
Гришин С. Д., Чекалин С. В. Космический
транспорт будущего. М., Знание, 1983; Дмитриев А. С., Коше
лев В. Л. Космические двигатели будущего. М., Знание, 1982.
404—2
17
Таблица 1
Транспортные операции, планируемые при строительстве
крупногабаритного объекта на геостационарной орбите
Транспортная
система
Выполняемые
операции
Тяжелые транспорт Доставка грузов с
ные космические ап Земли на опорную
околоземную орби
параты
ту
Транспортные косми Доставка персона
ческие аппараты для ла на околозем
ную орбиту
перевозки персонала
Грузовые
межорби Доставка грузов с
околоземной
орби
тальные транспортные
аппараты
(«бук ты па геостацио
нарную орбиту
сиры»)
Доставка персона
Межорбитальныс
транспортные
аппа ла на геостацио
раты для перевозки нарную орбиту
персонала
Топливо
Тип двига
теля *
СН,/О2
Н2/О2
керосин
ЖРД
(возможно,
с РДТТ)
Н2/О2
керосин
ЖРД
Н^АгСз
Н2/О2
ЭРД.
ЖРД
н2/о2
ЖРД
* Здесь приняты следующие обозначения: ЖРД — жидкостный
ракетный двигатель, ЭРД — электрореактивный двигатель, РДТТ —
твердотопливный ракетный двигатель.
Предположим, что все эти ракеты будут запущены в
течение одного года. Насколько значительной для атмо
сферы Земли может оказаться такая антропогенная
«нагрузка»?
Для сопоставления укажем, что 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, об
разует серную кислоту, что может приводить к выпаде
нию так называемых кислотных дождей, отрицательно’
влияющих на растительный и животный мир.
Ясно, что в глобальном масштабе выбросы в атмо
сферу, создаваемые при запуске в течение года даже
большего количества мощных ракет, ничтожно малы по
сравнению с промышленными выбросами. Правда, надо
отметить возможность заметного локального воздейст18
■у/ 10Г'
Высота, км
Р и с. 3. «Заселенность» околоземного
космического пространства искусст
венными объектами (в I км3) в за
висимости от высоты
вия запусков мощных ракет на атмосферу и ионосферу,
а также тот факт, что ракеты в отличие от промышлен
ных предприятий выбрасывают продукты горения в ши
роком интервале высот. Последнее имеет существенное
значение, поскольку поступление инородных соединений
в верхнюю атмосферу, где общее содержание естествен
ных газов мало, как раз и вызывает некоторые специ
фические физические явления.
Эффекты, вызываемые в околоземной среде работой
двигательных установок транспортных космических си
стем, мы обсудим п следующем разделе, а сейчас рас
смотрим подробнее проблему засорения околоземного
пространства искусственными телами и посмотрим, ка
кова же опасность столкновений спутников с такими
телами.
В 70-х годах в связи со значительным расширением
масштабов деятельности в космосе эти вопросы уже об
рели достаточную актуальность. Вероятность столкнове
ния спутника с другим искусственным космическим те
лом пропорциональна «заселенности» космического про
странства (И/), которую можно охарактеризовать, на
пример, количеством искусственных объектов, приходя
щимся на определенный интервал высот. На рис. 3 пока
зано высотное распределение величины й7, построенное
по данным па 30 апреля 1976 г., когда па околоземных
орбитах находилось 3866 объектов, поддающихся назем
ным радиолокационным наблюдениям (поперечные раз19
меры таких объектов больше приблизительно 10 см).
Около 25% от этого числа составляли собственно'
спутники (включая и прекратившие работу), а осталь
ные 75% приходились на долю различного рода «косми
ческого мусора» (последние ступени ракет-носителей,,
сбрасываемые защитные кожухи, экраны и другие дета
ли). На рис. 3 видно, что уже к середине 70-х годов в>
космосе наметились «магистрали» с интенсивным дви
жением и «тихие улицы». ЛАаксимальная плотность «за
селенности» космического пространства наблюдалась на
высоте около 900 км. Еще две «оживленные магистрали»
расположились на высотах вблизи 1500 и 3700 км.
В соответствии со степенью «заселенности» меняется
вероятность столкновений спутников с другими искусст
венными телами на разных орбитах. Например, для
спутника диаметром 10 м вероятность столкновения с
крупным искусственным телом в течение года на наибо
лее «заселенных» орбитах оценивалась по приведенным
данным приблизительно как 10-4. Суммирование по вре
мени вероятности столкновения с учетом увеличения
числа искусственных объектов в околоземном простран
стве позволяет в принципе определить вероятное число
столкновений для спутника к заданному моменту вре
мени.
Рис 4. Возможность столкнове
ния искусственных объектов в
околоземном космическом прост
ранстве
На рис. 4 приведены результаты такого расчета, вы
полненного для трех вариантов предполагавшегося еже
годного прироста числа искусственных объектов в интер
вале высот от 200 до 4000 км на 13%, на 510 объектов,
и на 320 объектов в год. Такие варианты увеличе
ния числа искусственных объектов в околоземном косми
ческом пространстве были выбраны на основании ана
лиза их количества в разные периоды до 1976 г. Соглас20
по этим данным, при наиболее быстром ежегодном при
росте числа крупных объектов в околоземном простран
стве (ежегодно на 13%) первое столкновение спутника с
крупным телом искусственного происхождения прогно
зируется к 1989 г., а при наиболее медленном приросте
(на 320 объектов в год) — к 1997 г.
Однако даже последний прогноз оказался чересчур
«пессимистичным», так как ежегодный средний прирост
числа искусственных объектов в околоземном космиче
ском пространстве оказался значительно меньше пред
сказывавшегося. По данным радиолокационных наблю
дений, к 31 декабря 1984 г. на орбитах находилось
5408 искусственных объектов, из них 1476 — различных
космических аппаратов. Причем ситуация на низких
околоземных орбитах стала более благоприятной из-за
развития космической техники: увеличился срок службы
спутников, меньше стало попадать па орбиты «ненуж
ных» фрагментов ракет и космических аппаратов, неко
торые из последних стали удаляться с орбит после окон
чания своей работы.
В последние годы более критичной с точки зрения
возможных космических столкновений стала геостацио
нарная орбита: число геостационарных спутников при
близилось к 200, причем они размещаются преимущест
венно на четырех участках орбиты (около 115° и 20° з. д.,
70° и 175° в. д.). Их положение на геостационарной ор
бите с применением активной коррекции может поддер
живаться в среднем с точностью ±0,1° по долготе и ши
роте (что соответствует квадрату со сторонами 150 км),
а по высоте — в пределах 30 км.
Перемещения геостационарных спутников, прекратив
ших активную работу, .по орбите более значительны.
Это и создает наибольшую потенциальную опасность
столкновений. Считается, что из-за дрейфа геостацио
нарных спутников по орбите могут происходить их опас
ные сближения на расстоянии 1 —10 км. Все это уже
сейчас дает основание говорить о «перенаселенности»
геостационарной орбиты.
На проходившей в августе 1982 г. II конференции
ООН по исследованию и использованию космического
пространства в мирных целях возможность столкновений
геостационарных спутников рассматривалась наряду с
взаимными радиопомехами как основной фактор, огра
ничивающий ресурсы геостационарной орбиты. По оцен
21
кам, вероятность столкновения геостационарных спутни
ков в ближайшие 10-—15 лет может не превысить 10~3,
однако в случае вывода на геостационарную орбиту
крупногабаритных сооружений типа ССЭ она существен
но возрастет.
На низких орбитах значительно большую, нежели
крупные искусственные тела, опасность для космиче
ских аппаратов представляют мелкие осколки, образую
щиеся при взрывах пиротехнических устройств, выпол
няющих операции разделения объектов, отстрела защит
ных кожухов и т. и.. а в еще большем количестве — при
взрывах различных объектов. Осколок с поперечным
размером 1 см, находящийся на низкой орбите, способен
пробить металлическую стенку толщиной несколько
сантиметров. Точное число мелких осколков, находя
щихся в околоземном космическом пространстве, неиз
вестно. По некоторым данным их около 40 000, и ве
роятность столкновения действующих космических ап
паратов с мелким осколком уже может быть сопостави
мой с вероятностью попадания в них метеороида тех же
размеров. Кстати, зафиксировано, по всей видимости,и
столкновение космического корабля с мелкой частицей
искусственного происхождения.
После второго полета американского корабля «Чел
ленджер», в июне 1983 г., на переднем стекле его ка
бины был обнаружен кратер диаметром 5 мм от удара
твердой частицы. На основании тщательного обследова
ния специалисты пришли к заключению, что эта части
ца вероятнее всего была кусочком краски, отделившим
ся от какого-то другого КА. Заметим, что оценка ве
роятности столкновения за 7 суток полета такого кораб
ля с осколком, способным сильно повредить его внеш
нюю обшивку, составляет 4 • 10~6.
Для снижения опасности столкновений спутников с
подобными осколками, во-первых, принимаются меры по
уменьшению числа различных операций в околоземном
пространстве, связанных с какими-либо взрывами, а
во-вторых, разрабатываются проекты удаления оскол
ков с орбит с помощью различного рода космических
«мусоросборщиков». Создаются и средства для регист
рации осколков. Например, в США планируется устано
вить телескоп на борту спутника, способный регистри
ровать осколки диаметром несколько миллиметров.
Для удаления с рабочих орбит прекративших актив
22
ное функционирование ИСЗ (что наиболее актуально
для геостационарной орбиты) предусматривается осна
щать их специальными двигателями. С помощью по
следних спутник после окончания срока службы можно
переводить па очень высокие орбиты или, наоборот, тор
мозить для более быстрого схода с орбиты в плотные
слои атмосферы. Возможно, однако, их неполное сгора
ние в этих слоях, и поэтому существует опасность паде
ния на поверхность Земли достаточно крупных обломков.
Например, серьезную тревогу вызывало в свое время
непредвиденно быстрое снижение американской станции
«Скайлэб». К счастью, несгоревшие ее обломки в кон
це концов упали 11 июля 1979 г. в малонаселенных
районах Австралии, не причинив никакого вреда.
Специально изучался и вопрос о возможном загряз
нении атмосферы продуктами сгорания спутников, пре
кращающих свое существование в плотных слоях атмо
сферы. Правда, расчеты показывают, что даже при пла
нируемом в ближайшие десятилетия расширении косми
ческой деятельности сгорание спутников и других косми
ческих аппаратов в плотных слоях атмосферы не долж
но привести к ее сильному загрязнению. Например, ожи
даемое увеличение содержания окиси азота в верхней
атмосфере составляет не более 0,05%. Не предвидится
также существенного накопления в атмосфере различных
токсичных соединений за счет такого сгорания.
Можно, конечно, предполагать возможность локаль
ного загрязнения атмосферы (и даже земной поверх
ности. если продукты сгорания достигнут ее), хотя по
добные эффекты не наблюдались. (А по данным на
31 декабря 1984 г. за все время космической деятель
ности с орбит сошло около 10 тыс. поддающихся радио
локационным наблюдениям объектов). Тем не менее од
ним из требований, предъявляемых к материалам кос
мических аппаратов, является выделение минимального
количества токсичных веществ при сгорании в атмо
сфере.
КОСМИЧЕСКИЕ СТАРТЫ
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭКОЛОГИИ
Уже в 60-х годах исследователи, проводившие наблю
дения ионосферы во время запусков мощных ракет-носи
телей, обратили внимание па необычные явления в
23
ионосфере: после запуска ионосфера, казалось бы, исче
зает вблизи следа ракеты, ио через час-другой картина
нормальной ионосферы восстанавливалась. Было выска
зано предположение, что газы, выбрасываемые в ионосфе
ру при полете ракеты, «выталкивают» разреженную ионо
сферную плазму. В результате в ионосфере образуется
область с пониженной плотностью плазмы — «дыра»,
которая после расплывания облака газа снова затяги
вается.
Толчком к дальнейшему исследованию явлений в
ионосфере, сопровождающих запуски ракет-носителей,
стало обнаружение так называемого Скайлэб-эффекта,
который был выявлен при запуске в мае 1973 г. мощной
ракеты-носителя «Сатурн-5», выводившей в космос стан
цию «Скайлэб». Двигатели ракеты-носителя работали до
высот 300—400 км, т. е. в ^-области ионосферы, где
располагается максимум ионизации ионосферы (см.
рис. 1). 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. км2.
Этот эффект иллюстрируется рис. 5, где показаны
изменения электронной концентрации в ионосфере в те-
Р и с. 5. Скайлэб-эффект в ионо
сфере:
1 — средние значения суточных
вариации
полного
содержания
электронов (ПСЭ) в столбе ионо
сферы, 2 — суточные вариации
ПСЭ в день запуска станции
«Скайлэб», 3 — в момент запуска
чение суток, усредненные за месяц до запуска ракетыносителя «Сатурн-5» и измеренные в течение суток в
день запуска. Результаты измерений показывают, что
«дыра» в ионосфере существовала после запуска ракеты
примерно 3 ч, а затем ионосфера вернулась к невозму
щенному состоянию.
24
Данные по ионосферным возмущениям при запусках
мощных ракет-носителей подтвердили необходимость
тщательного и всестороннего исследования воздействии
существующих и перспективных транспортных космиче
ских систем па околоземную среду. К настоящему вре
мени проведен также ряд экспериментальных исследо
ваний и модельных оценок влияния, которое оказывают
выбросы двигательных установок этих систем на хими
ческий состав атмосферы.
Таблица 2
Компоненты, выбрасываемые в окружающую среду
при работе двигательных установок ракет
и космических аппаратов (по материалам зарубежной печати)
60—120
120—506
187
н2
7
378
346
166
окислы
алюминия
н2о,
СОх
+ЛУ
0—50
>50
МОх
ннои
Многоразовый
транспортный
космический
корабль
(МТКК)
Транспортный
космический
аппарат
Межорбитальный транс
портный ап
парат
грузовой ва
риант
пассажир
ский вариант
Высота,
км
НСЦ-С1
Тип аппарата
__________
Выбрасываемые продукты, т
177
200
30
500—
36 000
500'
300
Сначала ознакомимся с компонентами топлива, ко
торые выбрасываются в окружающую среду при запусках
ракет-носителей и при работе двигательных установок
космических аппаратов. Из табл. 2 следует, например,
что состав продуктов сгорания, выбрасываемых двига
телями МТКК «Спейс Шаттл» в нижних слоях атмосфе
ры, весьма многообразен и включает в себя токсичные
компоненты.
В приземном слое атмосферы высотой до 0,5—1,0 км
25
выбросы, образующиеся при стартах МТКК, могут при
водить к токсичному загрязнению облаков, выпадению
кислотных дождей и изменениям погодных условий в
районе старта на территории 100—200 км2. Правда, от
меченные эффекты кратковременны, поскольку сильные
турбулентные движения в приземной атмосфере приво
дят к быстрому перемешиванию выброшенных химиче
ских компонентов и снижают их концентрацию до уров
ней, ниже допустимых по безопасности для человека и
животных.
Однако в стратосфере па высоте 15—50 км процессы
перемешивания менее эффективны, в результате чего за
грязнения, вносимые при запусках ракет-носителей, но
сят более долговременный характер. 'Гак, частицы аэро
золя, 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 уча
стием молекул озона и их роль в фотохимическом цикле
озона велика, несмотря на их относительно малые кон
центрации в стратосфере.
А какие явления на больших высотах сопровождают
запуски мощных ракет-носителей?
В мезосфере, на высотах 70—90 км, основными вы
брасываемыми компонентами продуктов сгорания двига
тельных установок МТКК и мощных ракет-носителей яв
ляются Н2 и Н2О. Поскольку температура атмосферы
на этих высотах самая низкая (см. рис. 1. б), то моле
кулы воды быстро конденсируются и смерзаются с об
разованием ледяных кристаллов. В результате этих
процессов могут возникать искусственные облака, подоб
ные серебристым облакам, которые образуют самый
верхний облачный слой в атмосфере Земли.
Переходя к еще большим высотам, где находится
ионосфера, отметим основные процессы, приводящие к
возникновению крупномасштабных ионосферных возму
щений — ионосферных «дыр», о которых уже упомина
лось в начале этого раздела.
Начальная фаза развития ионосферного возмущения
определяется быстрым расширением облака продуктов
сгорания, основными компонентами которого являются
Н2, Н2О и СО2. Часть этих молекул конденсируется, в
то время как значительная доля взаимодействует с ком26
полентами ионосферной плазмы. В результате э™го
взаимодействия концентрация электронов в ионосфере
уменьшается и образуется область с'пониженной плот
ностью электронов, т. е. ионосферная «дыра».
Возникновение ионосферной «дыры» сопровождается
аномалиями свечения ионосферы в области «дыры», из
менениями в распространении радиоволн, возбуждением
волновых явлений различного рода1. Дело в том, что
образующаяся при полете мощной ракеты-носителя
ионосферная «дыра» действует как своего рода «насос»,
который как бы «откачивает» плазму из внешней ионо
сферы и плазмосферы. Поскольку движение плазмы
контролируется геомагнитным полем, то вдоль силовой!
липин поля в результате оттока плазмы возникает столб
с пониженной плотностью плазмы.
Ряд данных указывает на тенденцию накопления ком
понентов искусственного происхождения в верхней атмо
сфере. Так, профессор В. И. Красовский и его коллеги,
наблюдая спектры свечения атмосферы, зарегистриро
вали увеличение фонового свечения ионов воды, которое
за период с 1960 по 1980 г. увеличилось на два порядка
величины. Этот эффект ученые объясняют накоплением
паров воды в мезосфере и нижней термосфере в резуль
тате регулярных запусков ракет-носителей.
Оценивая эффекты возможных воздействий на Л-область ионосферы в будущем, приведем несколько цифр,
характеризующих изменения электронной концентрации
в ионосфере при полетах перспективных транспортных
космических систем. Так, по расчетам американских
специалистов, запуски тяжелых космических буксиров
(межорбитальных транспортных аппаратов) могут со
провождаться инжектированием в ионосферу 1031 моле
кул IЬ и НаО, что вызовет образование ионосферной
«дыры» площадью около 20 млн. км2 (это вдвое превы
шает территорию США).
Длительность существования «дыры» в зависимости
от геофизических условий может достигать 1 —16 ч. При
регулярных запусках таких перспективных космических
буксиров со среднеширотных полигонов в Северном по1 См. подробнее: Карлов В. Д., Козлов С. И., Тка
чев Г. II. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возни
кающие при пролете ракеты в ионосфере с работающим двигателем
(обзор).— Космические исследования, 1980, т. 18, № 2.
27
лушарни может возникнуть в ионосфере глобальный
пояс шириной 2000—10 000 км с пониженной концентра
цией заряженных частиц. Степень уменьшения электрон
ной концентрации в таком поясе составит не менее 10%
и будет варьировать в зависимости от геофизических
условий.
Ионосферу «загрязняют» не только запуски ракетносителей. При полетах больших космических аппаратов,
например орбитальных станций, в результате микроте
чений и газоотделения материалов, а также работы раз
личных бортовых систем образуется уже упоминав
шаяся собственная атмосфера космических аппаратов,
параметры которой могут существенно отличаться от
характеристик окружающей среды. По измерениям па
раметров среды возле станции «Скайлэб» и МТКК было
зарегистрировано увеличение давления возле этих кос
мических аппаратов на 3—4 порядка по сравнению с
давлением в окружающей атмосфере. Были отмечены
также заметные изменения в нейтральном и ионном со
ставе, обусловленные газовыделением материалов стан
ции. в электромагнитных излучениях, потоках заряжен
ных частиц.
Сложное взаимодействие набегающего потока ионо
сферной плазмы с искусственной атмосферой, окружаю
щей космический аппарат, приводит в ряде случаев к
возникновению своеобразных разрядных явлений, сопро
вождающихся свечением среды возле аппарата и поверх
ности самого аппарата, генерацией электромагнитных
излучений, ускорением заряженных частиц ионосферной
плазмы '.
Очевидно, что подобное комплексное «загрязнение»
среды возле космического аппарата — явление нежела
тельное как для самого аппарата, так и для тех экспе
риментов и наблюдений, которые проводятся с его по
мощью.
В заключение этого раздела рассмотрим некоторые
проблемы «экологии магнитосферы», которые придется
учитывать при разработке перспективных транспортных
космических систем, например космических буксиров,
которые должны транспортировать грузы и персонал с
околоземной базовой орбиты на более высокие. При
полетах этих космических буксиров, использующих
См.: Аэрокосмическая техника, № 2. М., Мир, 1985.
28
жидкостные ракетные двигатели, в околоземное про
странство будут выбрасываться Н2 и НгО, а при полетах
■буксиров, использующих электрореактивные двигате
ли,— ионы Аг+ с энергией до 3,5 кэВ (см. табл. 2). При
чем выброс основной массы газов и ионов будет прово
диться в плазмосфере и магнитосфере (см. рис. 1 и 2),
образующих плазменную оболочку Земли.
Для примера укажем, что космический грузовой бук
сир при транспортировке груза с базовой на геостацио
нарную орбиту будет инжектировать в околоземное про
странство около 1031 ионов Аг+ и электронов (при рабо
те электрореактивных двигателей). При строительстве
же в течение года двух ССЭ мощностью 10 ГВт каждая
космические буксиры выбросят в ионосферу и магнито
сферу около 1033 атомов водорода (в виде Н2 и Н2О) и
4- 1032 ионов Аг+ и электронов. Для сравнения укажем,
что естественное содержание атомов водорода в плазмо
сфере между уровнем 500 км и плазмопаузой (расстоя
ние, равное 4 радиусам Земли) составляет 3 • 1032 ато
мов. Количество плазмы (ионы Аг+ и электроны), вы
брошенное в околоземное космическое пространство, бу
дет сравнимо с общим содержанием плазмы в областях
магнитосферы, пересекаемых космическим буксиром.
Энергия искусственной инжектированной плазмы
почти в 1000 раз превысит энергию «холодных» частиц
естественной магнитосферы и будет сопоставима с энер
гией. которая передается околоземному пространству
при развитии магнитной бури после солнечной вспышки.
Однако необходимо отметить, что энергия такой вели
чины будет передаваться магнитосфере не сразу, а по
степенно — в течение нескольких месяцев буксировки
■объектов на геостационарную орбиту.
Одним из важных явлений при работе двигательных
установок космических буксиров может стать возникно
вение так называемых «триггерных» явлений в около
земном космическом пространстве. Дело в том, что маг
нитосфера, как уже отмечалось, представляет собой
неустойчивую среду. При выбросах газа и плазмы во
время работы двигательных установок космических бук
сиров может происходить резкое изменение условий ди
намического равновесия волн и частиц в магнитосфере,
что вызывает высыпание частиц нз магнитосферы и раз
витие суббуревых возмущений. Таким образом, выброс
газа или плазмы может служить своеобразным спуско29
вым механизмом, стимулирующим развитие крупно
масштабных геофизических явлений в околоземном про
странстве, т. е. своего рода переход магнитосферы пз.
одного энергетического состояния в другое.
Представленный краткий анализ возмущений в око
лоземном пространстве при запусках мощных ракегносителей и при полетах космических аппаратов показы
вает, что уже в настоящее время эти возмущения хотя
и невелики по масштабам околоземного пространства,,
ио тем не менее заметны. С увеличением высоты раз
меры области и интенсивность искусственных возмуще
ний растут. Область возмущения при запуске мощной
ракеты-носителя можно представить в виде конуса, об
ращенного вершиной к Земле. У поверхности Земли диа
метр возмущенной области составляет несколько десят
ков километров и достигает нескольких тысяч километ
ров на высотах 300—400 км.
По-видимому, у читателя после этого раздела моглосложиться мнение, что авторы либо где-то лукавят, либодействительно принижают остроту экологических аспек
тов в космонавтике. Однако еще раз подчеркнем, чтопри современном уровне развития транспортных косми
ческих систем их возмущения приземной атмосферы и
нижних слоев околоземного пространства существенно
меньше антропогенных воздействий промышленных про
изводств, сельского хозяйства, автомобильного транс
порта и высотной авиации. И чтобы у читателя не былоникаких сомнений, па сей счет рассмотрим некоторые
виды техногенных воздействий на околоземное простран
ство.
ЧТО БОЛЬШЕ ВСЕГО
УГРОЖАЕТ ОЗОННОМУ СЛОЮ?
В середине 70-х годов одна из мощных отраслей
промышленности США, производящая аэрозольные упа
ковки, содержащие фторхлоруглероды (фреоны), оказа
лась под угрозой ликвидации. В прессе публикации на
тему «Атака на фреоны» потеснили на время светские
новости и сообщения уголовной хроники, а в редакциюгазет поступали требования об изъятии упаковок с фрео
нами из продажи. Губернаторы штатов Орегон и НыоИорк выступили с заявлениями о готовности подписать
законопроект, запрещающий продажу аэрозольных упа
ковок.
30
Причиной всех этих событий стала статья известных
■специалистов по аэрономии Ф. Роланда и М. Молина в
.журнале «Нейчур» («Природа»), В этой статье, назван
ной «О возможных неблагоприятных последствиях, свя
занных с попаданием фторхлоруглеродов в атмосферу»,
авторы в результате модельных расчетов пришли к вы
воду, что накопление фреонов в атмосфере может при
вести 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 забо.леваипй людей раком кожи, гипертонией, неврозами.
На чем же основывались авторы «атаки на фреоны»?
Исследования цикла фотохимических процессов в
стратосфере, протекающих с участием молекул озона,
показали, что озон легко разрушается, вступая во взаи
модействие с различными химически активными ком
понентами, в том числе и с атомами хлора. Ф. Роланд
и М. Молин представили расчеты, свидетельствующие о
том, что поставщиком этих атомов могут служить и
■фреоны, проникающие в стратосферу и там диссоциирую
щие с образованием атомов хлора.
Экспериментальных данных, которые могли бы под
твердить или отвергнуть выдвинутую гипотезу, не было.
Согласно некоторым расчетам при существующем уров
не производства фреонов содержание озона в стратосфе
ре может уменьшиться па 16% уже через четверть века,
т. е. при жизни одного поколения людей. На этот пе
риод предсказывалось увеличение случаев заболевания
раком кожи на 0,5—1,5 млн. случаев по сравнению с се
годняшним уровнем.
Последствия, как видно, ощутимые, поэтому и был
брошен лозунг «Изъять фреоны!». Однако прекращение
производства фреонов отнюдь не безболезненно, ибо оно
так или иначе также затрагивает интересы людей. На
помним. что фреоны чрезвычайно широко используются
в нашей жизни, хотя мы этого не замечаем. Фреоны —
хладоагент в домашних холодильниках и установках
кондиционирования. Фреоны — основные аэрозольные
компоненты. Без фреонов нельзя представить пищевую
и фармацевтическую промышленность. Анестезирующие
средства, технологические агенты в производстве синте
тических материалов, растворители — все это фреоны.
Чтобы представить масштабы производства фреонов.
31
Укажем, что в 1975 г. в США стоимость общей продук
ции, в которой используются фреоны, составляла около
° млрд. долл. Из этой суммы 5,5 млрд. долл, приходятся
на хладагенты, 2 млрд. долл. — на аэрозольные компо
ненты, 0,4 млрд. долл.— на вспенивающие агенты.
В промышленности США, связанной с производством
Фреонов, занято около 200 000 человек.
В связи с этим не удивительно, что атака на фреоны
натолкнулась на стойкую «защиту фреонов». От «напа
дающих» 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 со
ставляющие антропогенного происхождения — напри
мер, соединения азота, которые также эффективно взаи
модействуют с молекулами озона.
Следует подчеркнуть, что проблема атмосферного
озона достаточно сложна и носит комплексный харак
тер. Дело в том, что озон есть лишь отдельное (хотя и
очень важное!) звено в сложной системе, которую пред
ставляет собой атмосфера. Достаточно сказать, что из
содержание малых составляющих в стратосфере, кото
рые могут вступать в реакции с молекулами озона, ока
зывает влияние до 85 различных реакций одновременно.
Параметры ряда важных реакций этой сложной «фото
химической кухни» пока еще не определены.
В связи с этим упрощенные оценки того или иного
эффекта в озонном слое без учета комплексного харак
тера всей системы могут скорее обозначать остроту оп
ределённого направления в решении проблем -озонного
щита». Можно указать, что атака на фреоны — не пер
вый случай драматического развития событий, связан
ных с охраной «озонного щита». Еще свежи воспомина
ния об атаках на «Конкорд», когда категорические вы
воды об отрицательных последствиях влияния высотных
самолетов на озон стратосферы способствовали форми
рованию у общественности мнения об экологической
опасности этого вида транспорта.
Надо сказать, что проблема воздействий соединений
азота, выбрасываемых при полетах высотных самолетов,
на озоносферу долгое время привлекала внимание спе
циалистов и общественности. Были развернуты широкие
лабораторные исследования химических процессов, про
32
текающих с участием молекул озона, проведены много
численные измерения малых составляющих, влияющих,
на содержание озона, разработаны сложные численные
модели состава стратосферы, которые использовались,
для оценок и прогноза изменений содержания озона при
развитии стратосферной авиации.
В настоящее время полагают, что основные источни
ки антропогенного хлора и азота в стратосфере связаны
с промышленным и сельскохозяйственным производ
ством. Так, по данным на 1975 г. образование хлора за
счет антропогенных источников различного происхож
дения составило около 4 - 10е т в год, из них фреонов
около 8- 105 т в год. Средний темп увеличения составлял
около 10% в год, и хотя доля фреонов в общем балансе
хлорсодержащих соединений составляет 20%, поступле
ние атомов хлора в стратосферу обеспечивается в основ
ном за счет фреонов.
Фреоны дают от 50 до 70% общего количества хло
ра, попадающего в стратосферу. Для сравнения можно'
указать, что основной естественный источник страто
сферного хлора — вулканические извержения — обес
печивает поступление от 5 до 30% стратосферного хло
ра. Таким образом, в стратосфере преобладает хлорантропогенного происхождения, и именно рост антропо
генного вклада в общий баланс хлорсодержащих соеди
нений 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, кото
рые обеспечивают до 70% фотохимического стока моле
кул озона. Однако в отличие от хлора в общем балансе
соединений азота в стратосфере преобладают естествен
ные, а не ан гропогенные источники. Основным источни
ком антропогенного типа является производство азотных
удобрений, темпы роста которого весьма значительны.
Так, за период 1950 —1975 гг. производство азотных
удобрений в мире выросло в 30 раз и достигло 4- Ю7 т
в год. Предполагается, что к 2000 г. оно достигнет
2- 109 т в год. Это будет означать, что в результатепроизводства азотных удобрений к 2000 г. в стратосферу
будет вводиться от 5- 105 до 10° т в год азотных соеди
нений (в основном в виде N0).
Расчеты, проведенные в последние годы, показывают,,
что сохранение современных темпов поступления соеди33-
■неннй азота и хлора в стратосферу приведет к умень
шению общего содержания озона в.атмосферс к 2005 г.
примерно на 3%. В то же время распределение озона
по высоте в результате действия антропогенных источ
ников может претерпеть существенные изменения. На
пример, в стратосфере на высоте 40 км концентрация
■озона может уменьшиться на 13%, а в тропосфере па
.Уровне около 8 км — увеличиться на 22%.
Теперь можно сравнить различные антропогенные ис
точники азота и хлора в стратосфере для того, чтобы
оценить относительный вклад перспективных транспорт
ных космических систем в баланс озона в стратосфере.
Если использовать имеющиеся данные по выбросам дви
гательных установок современных транспортных косми
ческих систем (см. табл. 2) и учесть опубликованные
данные по разработкам перспективных таких систем, то
можно определить возможное поступление соединений
азота и хлора в стратосферу за счет транспортных кос
мических систем. По-видимому, к 2005 г. оно не превы
сит 105 т в год. что менее 10% общего антропогенного
источника соединений азота и хлора в стратосфере.
Таким образом, можно полагать, что развитие космо
навтики не будет существенным образом влиять на па
раметры «озонного щита» в глобальном масштабе. Тем
не менее локальные воздействия на озоносферу вблизи
•областей запусков ракет-носителей и МТКК могут быть
более заметными и потребуют специальных исследова
ний.
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 наблюде
ниями содержания озона в начале 60-х годов, когда та
кие взрывы в атмосфере были регулярными. Эффекты
уменьшения озона в атмосфере после взрывов отмеча
лись в течение нескольких лет. Учитывая важность и
остроту этой проблемы, мы еще вернемся к пей спе
циально.
Современный уровень развития средств для прямых
и дистанционных измерений (в том числе с помощью
спутников) и контроля содержания озона в атмосфере,
эффективные численные методы и мощные вычислитель
ные машины создали необходимую основу для контроля
содержания озона и моделирования процессов, влияю
■34
щих на его изменения. Именно в таком сочетании экспе
римента и моделирования можно будет получать надеж
ные прогностические оценки возможных антропогенных,
воздействий па «озонный щит» планеты.
Озонный слой и стратосфера являются своеобразным,
химическим и динамическим «фильтром», задерживаю
щим поступление составляющих антропогенного проис
хождения в верхние слои атмосферы. По крайней мере
в настоящее время отсутствуют какие-либо эксперимен
тальные данные, указывающие на поступление компонен
тов типа фреонов, например, в мезосферу или нижнюю,
термосферу. Можно полагать, что эти компоненты гиб
нут в химических процессах в стратосфере или, в слу
чае их длительного существования, участвуют в замкну
том динамическом цикле в нижних слоях атмосферы.
Однако этого нельзя сказать о радиоизлучениях на
земных источников, которые свободно распространяются
по крайней мере до ионосферы. Именно эти излучения
наряду с выбросами транспортных космических систем
служат проявлениями производственной’ деятельности
человека в околоземном космическом пространстве и
являются важным аспектом экологии этого простран
ства.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭФИР
ВО ВРЕМЕНА ФАРАДЕЯ И СЕГОДНЯ
Если бы во времена М. Фарадея, заложившего в се
редине прошлого века основы учения об электромагне
тизме, какая-то цивилизация проводила поиски братьев
по разуму, прослушивая электромагнитный эфир, то
можно быть уверенными, что в районе Солнечной систе
мы она никаких признаков земной цивилизации не обна
ружила бы. Однако в наши дни при таком поиске долж
но быть зарегистрировано в Солнечной системе «пятно»
радиоизлучения, имеющее явно искусственную природу.
1'1скусствспное происхождение излучения подтвердилось
бы и зависимостями излучений от времени и их спект
ральными характеристиками.
Это искусственное «радпопятно», так контрастно
выделяющееся на фоне радиоизлучения других небесных
тел,— наша планета. Естественное радиоизлучение в
окрестности Земли складывается из различных источни35-
:ков: атмосферных электрических помех, теплового радио■излучения Земли, космического радиоизлучения, радио-излучения Солнца и планет. Именно эти источники оп
ределяли характеристики электромагнитного эфира во
времена М. Фарадея. Однако в настоящее время земная
■Цивилизация обеспечивает значительную долю радио
излучений 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 обста
новку около Земли. Правда, если смотреть из космоса,
то «радиопятно» излучает преимущественно на высоких
радиочастотах (более 30 МГц), поскольку радиоизлуче
ния на более низких частотах эффективно экранируют
ся ионосферой.
Источниками искусственных радиоизлучений, хотя и
малой интенсивности, являются также спутники и дру
гие космические аппараты, вращающиеся вокруг Земли.
Несмотря на небольшую мощность бортовых радиопере
датчиков (как правило, менее 100 Вт), они тем не ме
нее уже вносят заметные помехи при проведении радиоизмерений (например, при осуществлении радиоастро
номических исследований).
Электромагнитный эфир в наши дни настолько на
сыщен искусственными радиоизлучениями, что Между
народному союзу электросвязи пришлось «наводить по
рядок», строго распределяя частотные диапазоны меж
ду различными потребителями. И все же в эфире «тес
но», и в этом легко убедиться, покрутив ручку настрой
ки радиоприемника. Таким образом, мы имеем дело со
своеобразным «электромагнитным загрязнением сре
ды» — в данном случае радиоэфира.
При больших плотностях радиоизлучений (когда на
пряженность полей искусственной радиоволны сопоста
вима или превышает напряженность естественных полей
в ионосферной плазме) над отдельными радиостанция
ми, особенно в коротковолновом диапазоне, наблюдают
ся заметные воздействия искусственных радиоизлуче
ний на параметры околоземной плазмы.
Если облучать ионосферу мощным радиоизлуче
нием, то за счет изменения параметров ионосферной
плазмы можно создавать искусственные «ионосферные
36
линзы» или «ионосферные зеркала»1, т. е. искусствен
ные неоднородности в ионосфере, влияющие на распро
странение радиоволн. Такие явления интенсивно иссле.дуются в последние годы с использованием мощных на
земных радиопередатчиков, работающих в частотном
диапазоне 1 —15 МГц.
Расчеты показывают, что использование только од
ного такого «ионосферного зеркала» с диаметром около
100 км па высоте 300 км позволяет охватить УКВсвязыо площадь 3—5 млн. км2. Система из 10—20
«ионосферных зеркал» могла бы образовать своеобраз
ную искусственную ионосферу, обеспечивающую радио
связь в УКВ-диапазопе и даже телевизионную связь на
территории, равной территории Европы.
Общая схема процессов, происходящих при воздейст
вии мощного радиоизлучения на ионосферу, такова.
Электроны ионосферной плазмы, ускоряясь электриче
ским полем радиоволны, приобретают дополнительную
кинетическую энергию. Часть этой энергии они передают
ионам и нейтральным частицам посредством столкнове
ний. В результате происходит увеличение средней кине
тической энергии частиц плазмы, иными словами, про
исходит нагрев ионосферной плазмы. Последний вызы
вает изменение проводимости плазмы и некоторых дру
гих параметров.
Если напряженность электрического поля радиовол
ны мала (а она прямо связана с величиной потока пере
даваемой энергии), то создаваемые в ионосфере изме
нения незначительны и они не влияют на распростране
ние радиоволны. Если же напряженность поля волны ве
лика (критерием здесь является сопоставление с соб
ственным плазменным полем, которое определяется па
раметрами плазмы), то вносимые в ионосферную плаз
му возмущения существенно влияют на условия распро
странения волны и зависят от ее амплитуды.
В последнем случае возникают так называемые нели
нейные 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 воздейст
вия существенно зависит от высоты. В Г-области ионо
1 См.: Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная
■теория распространения радиоволн в ионосфере. М., Наука, 1973.
37
сферы нагрев сопровождается уменьшением плотности!
плазмы в результате частичного ухода, «выталкивания»,
плазмы из нагретого пространства. В расположенных
ниже Е- и О-областях нагрев плазмы вызывает увеличе
ние электронной концентрации за счет того, что в нагре
той плазме менее эффективно идет процесс электронной
рекомбинации.
Исследования нелинейных процессов в ионосферной
плазме, происходящих при воздействии мощных радио
волн наземных радиопередатчиков, явились основой дли
оценок возможного воздействия на ионосферу мощного
СВЧ-пучка, излучаемого с борта ССЭ на Землю. Как
уже отмечалось, энергию, вырабатываемую ССЭ на гео
стационарной орбите, предполагалось передавать на
Землю с помощью пучка радиоволн в СВЧ-диапазоне.
По имеющимся оценкам, при мощности ССЭ 5—10 ГВт
передающая бортовая антенна должна иметь диаметр
около 1 км, а наземная приемная антенна — около
10 км.
С целью уменьшения габаритов антенн желательно
использовать для передачи энергии СВЧ-пучок возмож
но меньшего диаметра, а это требует увеличения плот
ности потока энергии в пучке, т. е. увеличения энергии,
передаваемой за I с через I м2 поперечного сечения
пучка. Однако эффекты взаимодействия радиоволн с
ионосферной плазмой и являются препятствием на пути
такого увеличения плотности энергии пучка.
На основании имеющихся данных можно полагать,
что «экологическая нагрузка» радиоизлучающих средств
на ионосферу в настоящее время невелика. Однако со
временем, особенно над промышленно развитыми райо
нами земного шара, эта возрастающая «нагрузка» мо
жет каким-то образом проявиться в ионосфере. В ре
зультате ионосфера над промышленными районами зем
ного шара может несколько отличаться от иоиосферы,
скажем, над пустынями пли океанами. Насколько этоокажется важным для цивилизации — вопрос, па кото
рый должны дать ответ будущие исследования «эколо
гии» ионосферы.
Если нелинейные явления при воздействии мощных
ВЧ- и СВЧ-радиоволн проявляются преимущественно в
ионосфере, то воздействие мощных низкочастотных из
лучений особенно заметно в магнитосфере. Некоторые
неожиданные последствия такого рода воздействий,
38
имеющие явно антропогенный характер, рассмотрены в
следующем разделе.
УИКЭНД В КОСМОСЕ
В июне 1980 г. в Будапеште во время очередной
.XXIII сессии КОСПАР было проведено заседание, тема
которого была не совсем обычной даже для этой орга
низации, правилом которой является представление и
обсуждение только последних, самых «свежих», данных
экспериментальных исследований. «Круглый стол» —
гак 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 низко
частотных (ОНЧ) электромагнитных излучений на по
верхности Земли и в космосе. Оказалось, что аналогич
ный эффект был обнаружен и при анализе геомагнит
ных данных.
Для того чтобы сделать понятным обсуждаемое яв
ление, на рис. 6 приведены данные по недельным ва
риациям интенсивности электромагнитных ОНЧ-излучений, полученные американским ученым А. С. ФразерСмитом. Эти данные характеризуют недельные вариации
ОНЧ-излучений за 7,5-летний период, который был про
анализирован А. С. Фразер-Смитом. Как видно на рис. 6,
интенсивность низкочастотных излучений во время
уикэнда (т. е. в субботу и воскресенье) существенно
уменьшается по сравнению с рабочими днями.
Подтверждением существования эффекта уикэнда
служат опубликованные А. С. Фразер-Смитом данные
по вариациям уровня геомагнитной активности в тече
ние педели, полученные для периодов невозмущенной
геомагнитной обстановки. На рис. 7. где приведены
усредненные данные по изменениям индекса геомагнит
ной активности в течение недели, отчетливо наблюдает
ся максимум значений индекса геомагнитной активности
во время уикэнда.
Поскольку природа вряд ли «живет» в такт с недель39
Рис. 6. Регистрация интенсивности ОНЧ-излучений в течение не
дели:
Д — индекс интенсивности ОНЧ-излучений (пунктирной линией
указано среднее значение индекса)
Рис. 7. Вариации индекса геомагнитной активности (индекса .4/1)
в течение недели
ным циклом деятельности человека, естественно предпо
ложить, что обнаруженный эффект уикэнда в уровнях
геомагнитной активности и ОНЧ-излучений представляет
собой своеобразное «эхо» производственной деятель
ности земной цивилизации. Признание такой связи сти
мулировало поиски других проявлений «земной» про
изводственной деятельности человека в околоземном
космическом пространстве.
Значительный вклад в эти исследования внесла
группа американских геофизиков, руководимая профес
сором Р. Хелливелом, которая в течение длительного
периода проводила измерения ОНЧ-излучений на ан
тарктической исследовательской станции Сайпл. Гео
магнитно сопряженная область (т. е. находящаяся на
противоположном "конце силовой линии) соответствовала
промышленно развитому району Канады вблизи города
Роберваль.
Схема экспериментов, в которых на станции Сайпл
проводились измерения ОНЧ-излучений промышленных
источников этих излучений, расположенных в Канаде,
показана на рис. 8. ОНЧ-волны, излучаемые с поверх40
.Излучения
линий
электролередач
.Приемник
'Р и с. 8. Схема экспериментов Хелливела по регистрации ОНЧ-излучений промышленного происхождения
кости Земли, частично проникают через ионосферу и
распространяются в магнитосферном волноводе, выходя
через ионосферное основание волновода над станцией
Сайпл. Эти излучения по дороге могут взаимодейство
вать с частицами радиационных поясов, и результат
такого взаимодействия носит двоякий смысл. С одной
стороны, в определенных условиях частицы могут пере
давать свою энергию распространяющейся волне и тем
самым усиливать ее, с другой! — взаимодействие ОНЧволн с частицами может нарушать условия захвата ча
стиц в геомагнитной ловушке и вызывать их высыпания
в атмосферу. Наконец, сами частицы, излучающие в
ОНЧ-дпапазоне, могут изменять свой спектр излучения,
в результате чего возникают «триггерные» стимулиро
ванные излучения в ОНЧ-дпапазоне.
Поскольку ОНЧ-излучения легко сделать слышимы
ми, то все эти процессы взаимодействия волн и частиц
можно представить в виде сложной гармонии (или како
фонии?!) звуков. Так вот, в этом сложном звучании
магнитосферного «оркестра» группе Р. Хелливела уда
лось выделить в Антарктиде хорошо слышимые тона,
соответствующие гармоникам излучений линт"! электро
передач канадского промышленного региона. Более того,
оказалось, что магнитосфера действует как мощный уси41
литель (вспомним взаимодействие воли и частиц), кото
рый может слабый «шепот» на одном конце силовой:
трубки превратить в мощный «рев» на другом.
Правда, чистые «тона» при этом портятся, появляют
ся «хрипы», «трески» и «шипения», связанные с генера
цией побочных излучений при нелинейном взаимодей
ствии ОНЧ-волн с частицами радиационных поясов.
Результаты экспериментов Р. Хелливела стимулиро
вали поиски «промышленного эха» уже непосредственнов магнитосфере путем измерений ОНЧ-излучений и по-токов энергичных частиц на спутниках. Действительнонад промышленно развитыми районами Северной Аме
рики и Европы средний уровень ОНЧ-излучений в маг
нитосфере оказался выше, чем над остальными областя
ми земного шара. Тот факт, что область повышенных ин
тенсивностей ОНЧ-излучений над этими областями сов
падала с «зазором» между внутренним и внешним ра
диационными поясами, позволил некоторым ученым вы
сказать предположение, что этот «зазор» обусловлен
промышленной деятельностью человека, т. е. воздей
ствием ОНЧ-излучений промышленного происхождения,
на радиационные пояса Земли.
Этот довольно «радикальный» вывод встретил резкие
возражения со стороны ряда ведущих специалистов по
физике магнитосферы, которые утверждали (и аргумен
тированно), что наблюдаемые вариации ОНЧ-излучений'
и потоков энергичных частиц могутбыть объяснены ес
тественными причинами. Итак, мнения разделились...
Кто прав?
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, про
мышленные предприятия, и посмотреть, что при этом
«делается» в околоземном пространстве.
Увы. такой «простой» эксперимент за пределами воз
можностей не только ученых, по и цивилизации. Но вы
ход может быть найден на пути тщательных патрульных
наблюдений и измерений параметров околоземной среды
(см. раздел, посвященный мониторингу околоземной
среды), а также путем постановки специальных контро
лируемых экспериментов с ОНЧ-пзлучениями. Такие
эксперименты, относящиеся к так называемым активным
42
■экспериментам, также подробнее рассмотрим чуть
позже.
Здесь же укажем, что к настоящему времени в основ
ном усилиями советских ученых (во главе с О. А. Мол
чановым) и американских ученых (во главе с Р. Хелливелом) проведена серия активных экспериментов, в ко
торых изучались особенности «отклика» в магнитосфере
па контролируемое воздействие, осуществляемое с по
мощью мощных наземных ОНЧ-передатчиков. Экспери
менты с контролируемой «закачкой» ОНЧ-излучений в
магнитосферу подтвердили возможность дистанционного
воздействия на частицы радиационных поясов, на уро
вень интенсивности ОНЧ-излучений в околоземном кос
мическом пространстве.
Результаты этих исследований заложили эксперимен
тальную основу физики нелинейных взаимодействий волн
и частиц в магнитосфере Земли. С другой стороны, они
указали на возможность контроля «заселенности» ра
диационных поясов Земли путем «закачки» ОНЧ-излу
чений в магнитосферу. В этой области физика около
земного пространства стоит на пороге новых открытий.
Что же касается эффекта уикэнда, то можно ска
зать, что до окончательного заключения ждать оста.лось недолго. Для проблем экологии околоземного про
странства, рассматриваемых в брошюре, подтверждение
эффекта уикэнда будет не просто любопытным фак
том — оно будет означать, что антропогенные явления
в космическом пространстве, связанные с наземной про
мышленной деятельностью человека, сопоставимы по
своим масштабам и значимости с естественными процес
сами в магнитосфере.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ
ОКОЛОЗЕМНОЙ СРЕДЫ
Хотя экология околоземного пространства как наука
сама по себе еще только зарождается и ее представле
ния и методология в окончательном виде пока не опре
делены, в то же время она уже достигла определенной
степени «зрелости», характеризуемой переходом от на
блюдения к эксперименту, к активным методам исследо
вания окружающего мира. Действительно, в настоящее
время происходит постепенный переход к использованию
активных методов исследований околоземной среды.
43
когда околоземное пространство из объекта наблюдений!
превращается в своего рода гигантскую природную ла
бораторию, используемую учеными для различных целей..
Можно сравнить околоземное космическое простран
ство со своеобразной плазменной установкой, которая:
открывает уникальные возможности для эксперимента
торов при исследованиях плазменных процессов в кос
мосе. Это новое направление изучения околоземной,
среды с широким применением активных методов полу
чило название «активные эксперименты» в космосе 1 и в
настоящее время широко развивается в нашей стране и,
за рубежом.
Термин «активные эксперименты» подчеркивает раз
личие новых методов исследования околоземного про
странства по сравнению с традиционными наблюдатель
ными 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 экспери
менты в космосе, связанные с использованием активных
методов, называют контролируемыми. Это подчеркиваетсвязь между откликом среды и начальным возмущением^
параметры которого контролируются.
В зависимости от степени возмущения среды актив
ные эксперименты могут быть разделены на две группы.
К первой группе относятся эксперименты типа меченых,
атомов, которые практически не возмущают среду, а в
основном «трассируют» процессы и явления. Экспери
менты второй группы предполагают осуществление ло
кальных «дозированных» возмущений среды.
Классическим примером экспериментов первого типа
является исследование процессов в околоземном про
странстве с помощью искусственно создаваемых светя
щихся облаков, которые образуются в результате ин
жекции паров щелочных металлов: лития, натрия, бария,,
цезия с борта ракет и космических аппаратов. Первые
эксперименты такого рода были проведены еще в самом,
начале космической эры1
2.
1 См.: Подгорный И. М. Активные эксперименты в кос
мосе. М., Знание, 1974.
2 См.: На пороге в космос. М., Иностранная литература, 1960.
44
Р и с. 9. Схема активных экспериментов по программе АМПТЕ:1 — Земля, 2 — литиевое облако в солнечном ветре, 3 — искусст
венная бариевая комета в утреннем секторе магнитосферы, 4 — ли
тиевое облако в хвосте магнитосферы
Эффективной демонстрацией возможностей этого ме
тода исследований стали международные эксперименты
по программе АМПТЕ (аббревиатура с английского
«Активные эксперименты по трассированию магнито
сферных процессов»), в ходе которых в течение сентяб
ря 1984 г.— мая 1985 г. производилась инжекция паров
лития и бария на значительных расстояниях от поверх
ности Земли (до 18 радиусов планеты): в солнечном
ветре перед магнитосферой Земли, в утреннем секторе
и в хвосте магнитосферы (рис. 9).
В первом из этих экспериментов по наблюдениям за
динамикой облака ионов лития изучались особенности
взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, в
двух других — образование искусственной кометы в
магнитосфере Земли. Данные, полученные в этих экспе
риментах, указывают на ряд не известных ранее явле45
1,,П|> сопровождающих образование крупномасштабных
искусственных структур в магнитосферной плазме.
Активные методы дают возможность и изучить в
контролируемых условиях основные физические про
цессы, протекающие при антропогенных воздействиях на
околоземное пространство, которые были рассмотрены
в предыдущих разделах. Они позволяют также глубже
понять явления, возникающие при взаимодействии кос
мических аппаратов с окружающей средой '. В част
ности, с использованием активных методов можно опре
делять преимущественные «каналы» антропогенных воз
действий, эффективность их влияния на различные об
ласти околоземного пространства. Наконец, что весьма
важно, активные эксперименты дают информацию для
оценки масштабов антропогенных воздействий и их по
следствий. а также для установления «экологических
границ» космических экспериментов и производственной
деятельности в космосе.
Понятие «экологические границы» используется для
■обозначения ограничений «...на такие воздействия, ко
торые приводят к нежелательным возмущениям плане
тарной и космической среды или к разрушению уникаль
ных космических объектов»12. Проблема определения
«экологических границ» человеческой деятельности в
околоземном пространстве весьма актуальна в связи с
попытками использования околоземной космической
среды для развертывания агрессивными кругами США
работ по программе так называемой «стратегической
оборонной инициативы» (СОИ). Можно вспомнить и
имевшие печальную славу эксперименты, проводившие
ся в начале 60-х годов военными ведомствами США,
когда в околоземном пространстве с помощью ядерпых
взрывов создавались искусственные радиационные пояса.
В свое время протесты широкой общественности вызва
ли и эксперименты по созданию в космическом простран
стве поясов из мелких медных иголок, которые исполь
зовались США для повышения эффективности систем
радиосвязи армии и флота.
Некоторые примеры успешного применения активных
1 См.: Акишин А. II, Новиков Л. С. Электризация кос
мических аппаратов. М.. Знание. 1985.
- Севастьянов В. II.. Старостин А. М., Урсул А. Д.
Космонавтика и научный эксперимент. М., Знание, 1979.
46
методов для решения задач экологии околоземного про
странства уже известны. Так, для изучения рассматри
вавшегося ранее эффекта образования ионосферных,
«дыр» были выполнены активные модельные экспери
менты с выпуском в ионосферу специальных компонен
тов (Н2, Н2О, СО2 и др.), уменьшающих концентрацию
электронов в ионосфере. Полученные в этих эксперимен
тах данные позволили глубже разобраться в сложном
комплексе газодинамических, плазменных и агрономиче
ских процессов, приводящих к образованию «дыр», и.
проверить существующие модели искусственных возму
щений ионосферы.
Ценную информацию для решения проблем экологии
околоземного пространства дали и эксперименты по
воздействию на ионосферную и магнитосферную плазмы
мощных радиоизлучений, результаты которых были рас
смотрены нами ранее.
Таким образом, хотя сегодня экспериментальная эко
логия околоземного пространства делает свои первые
шаги, она, безусловно, будет развиваться дальше в свя
зи с ее огромным значением для изучения и прогноза,
антропогенных явлений в околоземном пространстве,,
для определения «экологических границ» исследователь
ской и производственной деятельности в околоземной
среде. Ближайшее будущее позволит уточнить предмет,,
методологию и принципы экспериментальной экологии,
околоземного пространства.
МОНИТОРИНГ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рассматривая околоземное космическое пространство'
как часть окружающей природной среды, целесообразно
распространить на экологию этого пространства основ
ные представления и концепции, которые были развиты
в экологии биосферы. В основе экологии природной
среды лежат наблюдения и контроль, или, как принятоназывать, мониторинг антропогенных изменений состоя
ния окружающей среды '.
Значительный вклад в развитие концепции монито
ринга природной среды внесли советские ученые. Ряд
основополагающих проблем мониторинга был разрабо1 См.: Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния при
родной среды. Л., Гидрометеонздат, 1979.
47
тан коллективом ученых под руководством члена-кор^еспондента АН СССР Ю. А. Израэля Согласно пред
ставлениям о мониторинге природной среды, развитым
в работах этого коллектива, важнейшими задачами мо
ниторинга являются наблюдения и контроль состояния
природной среды с помощью существующих геофизиче
ских служб; оценка качества природной среды с по
мощью системы разработанных критериев антропоген
ных воздействий и выработка приоритетов для принятия
эколого-экономических и социальных мер с целью обес
печения рационального природопользования; разработка
научно обоснованного прогноза антропогенных воздей
ствий на окружающую среду.
Мониторинг базируется на системе наблюдений и
контроля природной среды. Для контроля загрязнений
в нашей стране создана и функционирует Общегосудар
ственная система наблюдений и контроля за загрязнен
ностью объектов природной среды (ОГСНК). Эта систе
ма, включающая в себя тысячи постов и пунктов изме
рений, обеспечивает контроль загрязнений атмосферного
воздуха в городах и промышленных районах, уровня за
грязнений пресных и морских вод, степени загрязнения
почв.
Всевозрастающую роль в комплексном мониторинге
природной среды играют дистанционные методы иссле
дований, наблюдения и контроля с использованием кос
мической техники. Наблюдения метеорологической об
становки и контроль атмосферных параметров с по
мощью космической системы «Метеор», решение геоло
гических проблем, оценки водных, почвенных и биоло
гических ресурсов с использованием орбитальных стан
ций «Салют», исследования ледовой обстановки, состоя
ния почв и облачности СВЧ-методами с помощью спут
ников «Космос» — все это яркие примеры эффективного
применения дистанционных методов и космической тех
ники для исследований и диагностики состояния различ
ных компонентов природной среды1
2.
1 См.: Израэль Ю. А.. Гасилина И. К., Росин
ский Ф. Я. Система наблюдений и контроля загрязнений природ
ной среды в СССР.— Метеорология и гидрология, 1978, № 10.
2 См.: Исследования природной среды с пилотируемых орби
тальных станций. Л., Гндромстеонздат, 1972; Космическая информа
ция в геологии. М., Наука, 1978; Калинин Г. П., Курило
ва Ю. В., Колосов И. А. Космические методы в гидрологии.
Л., Гндромстеонздат, 1977.
48
В рамках космического мониторинга проводятся на
блюдения и контроль загрязнений и антропогенных воз
действий на биосферу, для чего используются снимки,
получаемые на борту орбитальной станции «Салют», и
данные дистанционного зондирования земной поверх
ности и атмосферы Земли с борта различных космиче
ских аппаратов1. Космический мониторинг обладает
рядом важных преимуществ по сравнению с другими
методами наблюдения и контроля загрязнений природ11011 среды, обеспечивая высокий уровень обобщения,
данных по загрязнению среды, глобальный охват антро
погенных эффектов, оперативность получения информа
ции по экологической ситуации в различных областях,
земного шара. Космический мониторинг существенно до
полняет наземные, самолетные и корабельные средства,
наблюдений и контроля природной среды и позволяет
объединить данные о состоянии окружающей среды на
основе информации, полученной из космоса.
Возвращаясь к проблемам экологии околоземного^
космического пространства, отметим, что целесообразнодля обозначения всего круга вопросов, связанных с
контролем только антропогенных воздействий, исполь
зовать термин «мониторинг» околоземного космическогопространства Этим подчеркивается отличие этого тер
мина от определения космического мониторинга, смысл
и назначение которого пояснены выше. По аналогии с
рассмотренными ранее проблемами мониторинга био
сферы задачи мониторинга околоземного космического
пространства можно определить следующим образом:
наблюдение и контроль изменений состояния околозем
ного пространства в результате антропогенных воздей
ствий; выработка критериев антропогенных воздействий,
на это пространство и методов оценки качества состоя
ния околоземной среды как части природной среды;,
разработка прогноза возможных последствий возрастаю
щей антропогенной «нагрузки» на околоземное космиче
ское пространство.
Мониторинг околоземного космического пространства,
должен основываться па проведении регулярных изме
рений и наблюдений наиболее важных параметров, ха
рактеризующих «качество» околоземной космической
1 См.: Виноградов
экосистем. И., Наука, 1984.
