Как изменение климата увеличивает время жизни космического мусора на орбите

Рост концентрации CO2 в атмосфере хорошо известен своим эффектом в нижних слоях — тропосфере, где он удерживает тепло и разогревает Землю. Но в верхних слоях атмосферы, на высотах от 200 до 1000 километров, CO2 производит противоположный эффект: он охлаждает и сжимает термосферу. Это незаметное изменение имеет прямые последствия для спутников и космического мусора.

Почему CO2 охлаждает термосферу

В тропосфере парниковые газы поглощают инфракрасное излучение от поверхности Земли и переизлучают его обратно — создавая тепловой экран. В термосфере механизм иной. Молекулы CO2 поглощают инфракрасное излучение из более тёплых слоёв выше и интенсивнее излучают тепло в космос — фактически работая как радиатор. Чем выше концентрация CO2, тем интенсивнее это охлаждение верхней атмосферы.

Следствие охлаждения — сжатие: газ при более низкой температуре имеет меньший объём. Если температура термосферы падает, её вещество «проседает» вниз, и плотность воздуха на заданной высоте уменьшается. Наблюдения с 1967 года фиксируют устойчивое снижение плотности термосферы, коррелирующее с ростом CO2.

Сопротивление атмосферы и схождение с орбиты

Все спутники и обломки на низкой орбите испытывают торможение за счёт остаточной атмосферы термосферы. Это торможение невелико — но оно накапливается. Объект постепенно теряет скорость и высоту, пока не войдёт в плотные слои атмосферы и не сгорит. Время схождения с орбиты при прочих равных обратно пропорционально плотности атмосферы: чем разреженнее термосфера, тем дольше обломок остаётся на орбите.

Уже сейчас плотность термосферы значительно изменилась по сравнению с эпохой начала космической эры. Дополнительный фактор — 11-летний цикл солнечной активности: в максимуме термосфера разогревается и расширяется, сопротивление возрастает, объекты сходят с орбиты быстрее. В минимуме — наоборот.

Что показало моделирование до 2100 года

В статье, опубликованной в журнале Nature Sustainability в марте 2025 года, исследователи из MIT и Бирмингемского университета (Уильям Паркер, Мэттью Браун и Ричард Линарес) использовали климатическую модель WACCM-X для расчёта изменения плотности термосферы при трёх сценариях выбросов CO2 из набора SSP (Shared Socioeconomic Pathways).

По наиболее агрессивному сценарию (SSP5-8.5), к 2100 году модель прогнозирует снижение несущей ёмкости орбиты на высотах 200–1000 км на 50% в солнечный максимум и на 66% в солнечный минимум по сравнению с базовым уровнем 2000 года. По умеренному сценарию (SSP2-4.5) снижение меньше, но тоже значительно.

Несущая ёмкость орбиты — это максимальное число спутников, при котором популяция космического мусора остаётся в устойчивом равновесии: не входит в режим каскадного роста, известного как синдром Кесслера. Если обломков слишком много, каждое столкновение порождает новые фрагменты, которые создают новые столкновения. Снижение сопротивления атмосферы увеличивает время жизни каждого обломка, а значит — снижает допустимое количество объектов при заданном уровне риска.

Что уже наблюдается и что остаётся прогнозом

Принципиально важно разграничить наблюдаемый факт и модельные расчёты. Наблюдаемый факт: плотность термосферы снижается, это подтверждено измерениями с нескольких спутников и согласуется с теоретическими ожиданиями от роста CO2. Прогноз: оценки снижения несущей ёмкости орбиты на 50–66% к 2100 году — результат модельных расчётов, зависящих от сценарных предположений об уровне выбросов и от упрощений в модели населения орбиты.

Авторы сами указывают ограничения: в модели спутники представлены характерными объектами с фиксированными параметрами, не учитываются манёвры уклонения, реальная популяция объектов неоднородна. Конкретные числа не следует воспринимать как точный прогноз — они показывают направление и порядок величины изменений.

Почему это важно сейчас

Орбитальная среда меняется быстро. За последние годы компании запустили тысячи спутников в относительно узком диапазоне высот. Американская FCC в 2022 году ввела требование деорбитировать спутники в течение пяти лет после завершения миссии. Если атмосферное сопротивление снизится, операторам придётся либо опускать орбиты, либо оснащать аппараты дополнительными двигателями для активной деорбитации.

Авторы статьи делают нетривиальный вывод: изменение климата и проблема космического мусора, которые обычно рассматриваются независимо, оказываются связаны через состояние верхней атмосферы. Сокращение выбросов CO2 одновременно смягчает изменение климата в нижних слоях атмосферы и замедляет деградацию несущей ёмкости орбиты.

Масштаб текущей проблемы космического мусора

По статистике Европейского космического агентства на 31 июля 2026 года, сети наблюдения регулярно отслеживали около 46 120 искусственных объектов. Модели ESA оценивали общую популяцию объектов крупнее 10 сантиметров примерно в 54 тысячи, фрагментов размером 1–10 сантиметров — в 1,2 миллиона, а частиц размером 1 миллиметр — 1 сантиметр — в 140 миллионов. Даже небольшой фрагмент на орбитальной скорости способен серьёзно повредить спутник или скафандр.

Общая масса искусственных объектов на околоземных орбитах превышает 17 тысяч тонн; не вся эта масса относится к мусору, поскольку в оценку входят действующие аппараты. Основные источники новых обломков — разрушения и взрывы ступеней и спутников, случайные столкновения и испытания противоспутниковых систем.

Солнечная активность и её взаимодействие с климатическим сигналом

Термосфера находится под двойным влиянием: долгосрочным трендом охлаждения от роста CO2 и короткопериодными колебаниями, связанными с 11-летним солнечным циклом. В максимуме солнечной активности ультрафиолетовое и рентгеновское излучение разогревает термосферу и расширяет её — атмосферное сопротивление растёт, мусор сходит с орбиты быстрее. В минимуме — всё наоборот.

Эти два сигнала накладываются. Климатический тренд медленный и направленный, солнечный цикл — быстрый и обратимый. Авторы статьи в Nature Sustainability показывают: даже на пике солнечной активности, когда атмосфера наиболее плотная, к 2100 году при сценарии SSP5-8.5 несущая ёмкость орбиты будет ниже сегодняшней. А в минимуме солнечного цикла снижение значительно глубже — порядка двух третей нынешней ёмкости. Это означает, что климатический сигнал уже не перекрывается солнечной активностью: он накапливается поверх неё.

Что регуляторы обсуждают сейчас

Международного договора, обязывающего всех операторов деорбитировать спутники в единый срок, пока нет. Американские правила FCC о пятилетнем сроке сведения после завершения миссии действуют в рамках юрисдикции регулятора. Европейское космическое агентство также включило пятилетний срок в собственные требования по снижению образования мусора. Но спутники запускают операторы разных стран, и единой глобальной нормы не существует.

Открытый вопрос: если несущая ёмкость орбиты снижается вследствие изменения климата, нужно ли ужесточать требования к срокам деорбитации? Исследование Паркера, Брауна и Линареса напрямую не отвечает на этот вопрос, но создаёт аналитическую основу для его постановки регуляторами и операторами спутниковых созвездий.

Читайте также: Космическая свалка: как очистить орбиту Земли от мусора