¿Qué impacto tendrá en la atmósfera la salida de órbita de miles de satélites?

No se ha investigado mucho sobre esta cuestión en los últimos años, pero algunos investigadores están lo suficientemente preocupados como para investigar sobre satélites de madera . La pregunta sobre el impacto ambiental de los satélites fuera de órbita que se queman en la atmósfera superior se abordó en parte en un informe de 1994 (advertencia: no revisado por pares) por el Comando de Gestión Ambiental del Espacio y Sistemas de Misiles en los Estados Unidos. Su enfoque fue considerar el impacto de sacar de órbita los desechos espaciales sobre el ozono en ese momento, y su conclusión fue que sacar de órbita los desechos espaciales tiene muy poco impacto sobre el ozono estratosférico . Consideraron dos tipos de impacto utilizando una combinación de medidas de laboratorio y modelo:

• Mecanismos heterogéneos, o partículas pequeñas (en su caso, Al₂O₃) en las que puede ocurrir el agotamiento del ozono (como en las nubes estratosféricas polares). El informe cita experimentos de Marino Molina (MIT) de los que concluyen que se necesitan entre 10⁴ y 10⁵ años para destruir el uno por ciento del ozono estratosférico . Aunque pequeño, parecería que un aumento importante de la masa de reentrada debería motivar la revisión de este estudio; si sus cifras son precisas y los números son lineales, un aumento del factor 1000 se traduciría en 10 a 100 años para destruir el 1% del ozono estratosférico, lo suficientemente cerca como para justificar al menos cierta preocupación, aunque lo más probable es que todavía esté en el rango seguro (siempre hay una cantidad natural de destrucción y regeneración de ozono).

• Mecanismos homogéneos: la pintura de las naves espaciales y el mecanismo de Zeldovich producen óxido nítrico, pero el estudio estima que la pintura provoca la destrucción de una molécula de ozono cada mil millones de días y el mecanismo de Zeldovich aún menos, por lo que si sus conclusiones son correctas, este mecanismo es despreciable.

Puede haber otros impactos además del agotamiento del ozono, pero el ozono es probablemente la sustancia más sensible que puede sufrir el impacto de la reentrada de desechos orbitales para que nos preocupemos en la práctica.

El impacto probablemente sea aún menor, pero para responder realmente a esta pregunta, debe considerar:

1. ¿ Dónde se rompe el satélite?
2. ¿Qué contaminantes se liberan en el proceso y cuánto de cada uno?
3. ¿ Cuál es la vida útil de esos contaminantes?
4. ¿ Cuál es el destino final de estos contaminantes después de su vida útil?

Una respuesta completa requeriría un estudio en profundidad. Hemos avanzado mucho en la recuperación del agujero de ozono y no nos dejemos tomar por sorpresa otra vez; después de todo, pocas personas, si es que alguna, esperaban que los refrigeradores causaran cáncer de piel. Para abordar un poco las preguntas:

1. Comparar con la masa total de la atmósfera no es útil. La masa atmosférica total no es relevante porque los satélites se rompen en la atmósfera superior, que es muy delgada en comparación con el resto. La estratosfera no intercambia mucha masa con la atmósfera inferior, por lo que las sustancias pueden permanecer en la estratosfera por mucho tiempo (a menos que se destruyan en reacciones químicas o sean lo suficientemente pesadas como para caer debido a la gravedad).
   No necesitas mucha masa para tener un alto impacto. Los CFC tienen concentraciones en el rango de partes por billón, pero con su vida útil de décadas pueden descomponer y descomponen grandes cantidades de ozono. Por lo tanto, no podemos simplemente descartar el problema basándonos solo en consideraciones de masa atmosférica.

2. Los materiales con los que se construyen los satélites son diferentes de los propulsores utilizados en el lanzamiento. Por lo tanto, no puede simplemente descartar los satélites como mucho menos masivos que los propulsores de cohetes y, por lo tanto, declarar que el impacto del reingreso es insignificante en comparación con el impacto del lanzamiento. Gran parte del material de un satélite es metal, que se depositará con bastante rapidez (consulte la siguiente pregunta), pero en teoría, otros materiales podrían tener un impacto (John et al. consideraron la pintura y concluyeron que su impacto era insignificante). Algunos satélites contienen materiales inusuales: por ejemplo, Kosmos 1402 era un satélite espía soviético que contenía un reactor nuclear y, por lo tanto, combustible. Leifer et al (1987) han demostrado que más de un año después de que Cosmos-1402 desorbitara un exceso de 53±20% de ²³⁵U se midió a una altura de 36 km. No sé qué pasó desde entonces. Afortunadamente, Starlink no contendrá reactores nucleares.

3. El tiempo de vida, a menudo definido usando la vida media o el tiempo que tarda la concentración en reducirse a la mitad, es crucial para determinar el impacto. Una pieza de metal que cae no tiene impacto en la atmósfera, pero los CFC exclusivamente antropogénicos que permanecen durante décadas sí lo pueden hacer, incluso en concentraciones relativamente pequeñas. No sé si alguien ha estimado la vida útil de la ²³⁵ U de Kosmos, pero Murphy et al. (2018) pueden haber detectado evidencia de ello en la troposfera superior (encontraron una partícula y no pudieron decir la fuente). Debido a su baja concentración, esto es más de interés académico que algo de lo que realmente preocuparse.

4. Solo hay dos formas en que una sustancia puede salir de la atmósfera superior: saliendo físicamente (hacia la troposfera) o por destrucción (reacción química). Si llega a la troposfera, tendrá una concentración muy baja en comparación con los contaminantes que se originan en la superficie, y si reacciona, volvemos a la pregunta 2. Las partículas más grandes pueden caer rápidamente, pero las moléculas pueden permanecer por un tiempo. El Juan et al. descubrió que la mayoría de las partículas pequeñas aumentaban el agotamiento del ozono.

En conclusión: el impacto es probablemente pequeño, pero el potencial de agotamiento del ozono si el flujo de reentrada aumenta en varios órdenes de magnitud probablemente sea suficiente para justificar un proyecto de investigación dedicado para cuantificar esto nuevamente. Y cualquier impacto detectable es un impacto, que vale la pena monitorear incluso si el impacto está dentro de los límites seguros. Alguien vaya a escribir una propuesta de subvención de investigación;)

Documentos relevantes que encontré:

• Leifer et al., Detección de uranio de Cosmos-1402 en la estratosfera, Science, 23 de octubre de 2017, doi: 10.1126/science.238.4826.512
• Murphy et al., Una partícula de aerosol que contiene uranio enriquecido encontrada en la troposfera superior remota, Revista de radiactividad ambiental, volumen 184-185, abril de 2018, páginas 95-100.
• John et al., The Impact of Deorbiting Space Debris on Stratospheric Ozone, 1994 ( ver PDF en línea ).

La masa de la atmósfera de la Tierra es de 5E+18 kg y la troposfera por sí sola tiene 3/4 de eso. Con una altura media de 13 km que hace que su volumen$4 \pi r^2 h$o alrededor de 6.6E+18 m^3.

Si descomponemos mil satélites de 100 kg en partículas semiporosas de PM2,5 , resulta que son 1,5E-08 microgramos por metro cúbico, y generalmente nos preocupamos por las decenas de microgramos por metro cúbico cuando se trata de partículas.

¡Por supuesto que definitivamente los estaremos respirando!; acabaría habiendo unas cuantas partículas satélite en cada metro cúbico de aire hasta que se asentaran o se incorporaran a la lluvia y se lavaran, pero eso no es nada comparado con la porquería que respiramos cada minuto. Las partículas antropogénicas depositan constantemente material radiactivo, volátil, cancerígeno y cargado de metales pesados ​​tan profundamente en nuestros pulmones que los cilios no pueden sacarlo de vuelta. Una constelación quemada no es nada en comparación.

De acuerdo con esta respuesta a ¿La Tierra se está volviendo más pesada o más liviana? Cada año, 4E+07 kg de polvo meteórico ingresan a nuestra atmósfera, ¡y las personas que recolectan polvo de los techos y lo separan con imanes pueden mostrarte algo!

Mil satélites de 1000 kg es sólo el 0,25 % de la caída meteórica anual. ¡Debemos preocuparnos mucho más por las partículas que producimos de los automóviles y la industria que por sacar de órbita una constelación de satélites!

También; como señala @Uwe, por cada kilogramo que ponemos en órbita, se agregan varias decenas de kilogramos de material a la atmósfera de la Tierra. Parte de eso serán partículas de carbono de queroseno y LOX, pero cada vez que un lanzamiento usa SRB (propulsores de cohetes sólidos) se introducen muchas más partículas, razón por la cual el escape SRB brilla mucho más que Keralox, y por qué brilla tanto. mucho más brillante que Metalox. Consulte lo siguiente para obtener comparaciones en paralelo:

• ¿Qué hace que el escape del propulsor SRB a base de aluminio sea tan brillante?
• ¿Cómo se clasifican las combinaciones de propulsores de cohetes en términos de "brillo"?
• ¿Cuál es la causa de la luz azul de los motores de cohetes LH2/LOX?
• ¿Es posible crear diferentes colores en el escape del cohete?

abajo: Captura de pantalla del video de la NASA Smoke and Fire! La prueba de refuerzo de cohetes del sistema de lanzamiento espacial de la NASA como ejemplo de partículas de hollín producidas por un impulsor de cohete sólido (en este caso bastante grande).

El mes pasado se publicó un artículo sobre este tema .

Hoy en día, cada día cae media tonelada de satélites en la atmósfera terrestre. Se espera que una constelación como Starlink, una vez que esté completamente desplegada, provoque la entrada a la atmósfera de 2 toneladas de satélites al día. Este número debe multiplicarse por el número de constelaciones tipo Starlink.

Dos toneladas al día pueden ser más pequeñas que las 54 toneladas de meteoros al día que atraviesan la atmósfera terrestre. Pero al contrario de lo que se dice en la respuesta de uhoh, la cantidad de materia que entra de los satélites no es directamente comparable con la cantidad de meteoritos, ya que la composición de los dos es muy diferente. El hecho de que la masa total sea mucho más pequeña no importa mucho si la composición es diferente (compare agregar una tonelada de nitrógeno a la atmósfera con agregar una tonelada de CFC: el efecto en la atmósfera sería muy diferente. Esto podría ser un ejemplo extremo pero entiendes la idea). Los satélites, por ejemplo, contienen mucho aluminio, mientras que la caída de meteoritos contiene oxígeno, magnesio y silicatos y solo un 1% de aluminio. Esto significa que la caída de hierro se multiplicaría al menos por cuatro.

cada megaconstelación producirá partículas finas que podrían superar con creces las formas naturales de deposición de aluminio atmosférico a gran altitud

Este óxido de aluminio de una gran constelación de satélites podría alterar la capa de ozono. Y los depósitos de aluminio en la atmósfera se han sugerido como una forma de aumentar el albedo de la Tierra.

Para agregar otra perspectiva a la discusión:

La fracción de masa de los satélites que consisten en materiales que ocurren naturalmente en el sistema solar, es decir, el hierro, probablemente no tendrá un impacto notable en nada porque la masa total de los objetos naturales que golpean la Tierra es mucho mayor que la de los satélites que volverán a entrar en el sistema solar. futuro previsible:

La NASA establece una estimación de 44,000 kg de material meteorítico que golpea la Tierra cada día (fuente señalada en un comentario a una pregunta relacionada ). La mayor parte de este material se vaporiza durante la entrada.

El punto es que los satélites que vuelven a entrar contribuyen a esto en una escala mucho menor. Por lo tanto, este efecto es despreciable.

Esta respuesta no se refiere a las sustancias particularmente tóxicas contenidas en los satélites o, en general, a los materiales artificiales, sino solo a las que se agregan constantemente a la atmósfera de forma natural y masiva.