Экологическая опасность космической деятельности

Возникающее радиоактивное загрязнение может представлять опасность для работ навигационных систем, метеоспутников и систем наблюдения за природными ресурсам которые используют близкие орбиты. Таким образом, именно рост массы космического мусора, являясь причиной разрушения ЯЭУ, определяет радиоактивное загрязнение ОКП. Однако для ОКП это загрязнение не представляет особой опасности в плане изменения свойств этой среды. Главная экологически опасность связана с возможностью падения фрагментов разрушенных ЯЭУ и осаждения радиоактивных веществ в приземную атмосферу и на поверхность Земли. Подобный случай произошел в 1978 г. при аварии спутника "Космос-954", когда крупные радиоактивные осколки рассеялись на севере Канады. Специальный анализ атмосферы в разных точках планеты в июне и сентябре 1978 г. показал, что большая часть многотонной массы "Космоса-954" испарилась и была рассеяна в атмосфере Земли. В том числе и по крайней мере 37,1 кг отработавшего ядерного топлива.

Наибольшую опасность представляют выбросы радиоактивного плутония: плутония-238, который выделяет в 280 раз больше энергии, чем Рu-239, и соответственно в 280 раз более радиоактивен, чем плутоний-239. 450 г Рu-238 при его равномерном распространении достаточно, чтобы вызвать рак у всех людей, населяющих Землю. Выведение в космос 32,75 кг Рu-238 эквивалентно по опасности выведению в космос 770 кг плутония -239.

21 апреля 1964 г. навигационный спутник США "Транзит" SВМ-3 не вышел на запланированную орбиту, развалился и сгорел в атмосфере над западной частью Индийского океана к северу от Мадагаскара, выбросив 950 г плутония -238 общей активностью около 17 тыс. Ки. В результате содержание этого радионуклида в околоземном пространстве увеличилось в три раза. В мае 1965 г. содержание этого плутония на высоте 10 тыс. м в южном полушарии было в 4 раза выше. Чем в северном. К ноябрю 1970 г. в атмосфере оставалось около 5% выброшенного плутония. А анализ почв показал его присутствие на всех континентах.

В октябре 1997 г. была запущена космическая станция "Кассино" с 32,75 кг плутония -238 к Сатурну, которая пролетела в 312 милях от Земли в 1999 г. Из 41 советских (российских) космических аппаратов, использовавших ядерные энергетические установки, шесть потерпели аварии. Таким образом, надежность таких отечественных спутников не превышает 85,4 %, уровень заведомо неприемлемый, например, в авиации и во многих других областях. Этот факт лишний раз подтверждает, что космонавтика остается сферой особо рискованной деятельности, причем опасные последствия этого риска распространяются не только на прямых ее участников этой, но и на человечество в целом.

Таким образом, объекты современной и перспективной РКТ, особенно РН, являются основными и потенциально опасными, представляющими серьезную экологическую опасность вследствие значительных запасов высокоэнергетического химического топлива. РКТ оказывают негативное воздействие на приземную атмосферу как при эксплуатации, и при ликвидации и утилизации. Наличие на борту космических аппаратов ядерных источников энергии, ядерного топлива и радиоактивных материалов создает угрозу загрязнения приземной атмосферы, а также поверхности Земли при аварийных ситуациях.

Сейчас человечество оказалось перед прямой угрозой нарушения основных естественных свойств и функциональных особенностей ОКП, что чревато тяжелыми последствиями по двум основным причинам.

1. ОКП защищает все живое от губительной радиации, и

2. ОКП является важным звеном в сложной цепи солнечно-земных связей, определяющих климатические условия на Земле.

В дополнение к этим двум причинам следует также подчеркнуть, что надежная работа современной космической техники в очень высокой степени зависит от регулярных естественных вариаций поведения ОКП, нарушение которых может крайне затруднить или сделать практически невозможной работу космических аппаратов и при определенных обстоятельствах стать причиной космических аварий и катастроф.

Таким образом, центральной проблемой экологической безопасности космической деятельности является сохранение основных естественных свойств и функциональных особенностей ОКП. В аналитическом обзоре приводятся следующие основные выводы о распространении в ОКП продуктов работы ракетных двигателей:

основным продуктом, образующимся в ОКП в результате работы двигателей ракет "Протон" и "Шаттл" являются пары воды. Ракета "Протон" выбрасывает также значительное количество двуокиси углерода, а "Шаттл" — хлора и его соединении;

на высотах более 100 км молекулы воды довольно быстро разлагаются, образуя водород, количество которого даже от одной ракеты сравнимо с его глобальным естественным содержанием;

водород распространяется на расстояния в десятки тысяч километров, образуя в ОКП грибовидное облако, в котором содержание атомов Н превышает фоновое на проценты в случае полета ракеты "Протон" и на десятки процентов в случае полета ракеты "Шаттл" на 5 и 10 суток, соответственно;

при периодически повторяющихся пусках ракет "Протон" с интервалом в пять суток устанавливается стационарный глобальный избыток антропогенного водорода порядка 5—10% , при пусках ракет "Шаттл" в том же режиме избыток составляет 20—40%;

степень нарушения естественного баланса водорода в ОКП сильно зависит от гелио-геофизических условий, и она максимальна при низкой солнечной активности, особенно если пуски ракет происходят периодически и в зимней полусфере;

образующаяся в результате полетов ракеты "Протон" двуокись углерода распространяется в ОКП гораздо медленнее, чем водород, из-за большей массы и большего размера молекул, так что при регулярных пусках с периодом в пять суток размер области избыточного содержания СО не превышает 1000 км. Его распределение внутри этой области крайне неравномерно, от единиц процентов на краях до многоразового превышения фона в зоне, где проходила траектория полета ракет.

Обратимся к анализу влияния продуктов работы ракетных двигателей на нижнюю часть ОКП - страто-мезосферу. Среда здесь имеет сложный химический состав, одним из компонентов которого, наиболее значимых для всего живого на поверхности Земли, является озон. Поскольку именно озон является последней преградой на пути опасного ультрафиолетового излучения, основная часть которого поглощается на больших высотах, то содержание озона давно стало предметом пристального внимания и в настоящее время переросло в важную экологическую проблему сохранения озонового слоя.

Однако эта проблема существует не сама по себе, проблема сохранения озонового слоя органически связана с более общей проблемой сохранения верхней атмосферы. Несомненно, озон следует рассматривать как одну из составляющих верхней атмосферы, поведение которой прямо зависит от состояния среды в целом.

Известно несколько каталитических циклов гибели озона в стратосфере. Сравнение участников этих циклов с продуктами выбросов ракет "Протон" и "Шаттл" показывает, что в результате работы ракетных двигателей образуются практически все те вещества, которые обусловливают гибель озона в естественных условиях. Однако наиболее важными из них являются окись азота и хлор с его соединениями. Последние образуются только в результате работы твердотопливных двигателей.

В настоящее время отсутствуют сколько-нибудь надежные данные наблюдений изменений озонового слоя при запусках ракет, поэтому все оценки таких изменений строятся только на основе модельных расчетов. В таком случае особую важность приобретает точное знание, в каком количестве образуются в результате работы ракетных двигателей указанные выше агенты, разрушающие озон. Наибольшие трудности возникают при определении содержания окиси азота, поскольку для нее, оказываются существенными неравновесные процессы, в ходе которых содержание окиси азота может возрастать на шесть порядков. Дополнительное образование окиси азота может также иметь место при так называемом "дожигании" - взаимодействии выбрасываемого в больших количествах молекулярного азота с атомарным кислородом верхней атмосферы,

Модельные расчеты влияния полетов ракет на озоновый слой проводились для ракеты "Энергия" и "Шаттл", как наиболее мощных. Согласно этим расчетам в результате одиночного пуска ракеты "Энергия" максимальное уменьшение озона произойдет через 24 дня и составит 1,5—1,7% в пределах вертикального столба диаметром 550 км. В случае залпового пуска 12 ракет аналогичное уменьшение составит 6—6,6%. Глобальный эффект залпового пуска, например на широте 45°, согласно другим расчетам, состоит в переносе обеднения озонового слоя на более высокие широты пример за 130 дней, так что на широте 80° оно окажется примерно в 3 раза меньше максимально обеднения на широте пуска. Во всех случаях характер высотного распределения возмущения озонового слоя сохраняется — максимальное обеднение имеет место в области максимума озонового слоя; ниже максимума, в тропосфере, имеет место небольшое увеличен концентрации озона. Ежемесячные пуски ракет "Энергия" в течение 4 лет приведут к уменьшению содержания озона в Северном полушарии на 0,1% на средних широтах и 0,3—0,4% в высоких широтах. Общее уменьшение содержания озона над Северным полушарием через 15 лет при регулярных ежемесячных пусках ракет "Энергия" может достичь 2,5%. Согласно расчетам при ежемесячных пусках ракет "Шаттл" (это примерно соответствует существующему режиму) в течение 4 лет общее содержание озона снизится на 0,3% в средних широтах и на 0,4—0,6% в высоких широтах. Однако оценки (Ропег, 1981) для пусков "Шаттл" в год дают уменьшение концентрации озона в Северном полушарии на 0,2%, что сопоставимо с воздействием других антропогенных источников.

Существует также реальная опасность загрязнения территорий, непосредственно прилегающих к местам расположения ракетных пусковых установок, и земель, отторгнутых под зоны падения ступеней ракет. Имеются даже данные, указывающие на возможное изменение погодных условий и растительности в районах космодромов. Космические происшествия (аварии, катастрофы) в связи с техническими характеристиками космической техники, вызывают тяжелые последствия. Возникла и нарастает новая угроза, обусловленная возможным падением аварийных космических аппаратов на наземные объекты: населенные пункты, атомные электростанции, химические и другие потенциально опасные объекты. Подобное аварийное падение космической ракеты, запускаемой с семипалатинского полигона и произошло на территории одного из районов Казахстана в 1999 г., в результате чего был оценен материальный ущерб, а последующие плановые запуски ракет с семипалатинского полигона были надолго приостановлены.

Наиболее мощное воздействие на природную среду происходит на космодромах в процессе старта крупных ракет. Реализуемый в настоящее время мировой грузопоток в космос требует ежегодно около 100—120 пусков РН различной грузоподъемности.

Основными вредными факторами, влияющими на состояние окружающей среды при пусках РН, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы). К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут так же привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности "Шаттла". Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсическое загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях.

В ряде систем РКТ - до 80-90 % приходится на топливо Соответственно, совокупные "отходы производства", включающие в себя также элементы конструкции при запуске РКТ составляют 97—99 %. При старте объекта РКТ, когда масса ракетно-космической системы максимальна скорость полета мала, происходит мощный залповый выброс продуктов сгорания и тепловой энергии, возникают сильные акустические колебания (шумы и вибрации).

Многие из применяемых компонентов ракетного топлива (КРТ) являются высокотоксичными. Чем больше стартовая масса, тем больше выброс продуктов сгорания. Имеются также остатки КРТ на отделяемых ступенях РН. Чем больше масса РН, тем большие остатки топлива на отделяемых ступенях. Все это – факторы загрязняющие природную среду на территориях РТ.

К основным факторам негативного воздействия РКТ на окружающую среду в районах падения отработавших ступеней РН относятся:

загрязнение почвы, атмосферы, поверхностных и грунтовых вод высокотоксичными продуктами сгорания РКТ с возможностью отравления ими живой природы и человека;

засорение территорий металлоконструкциями;

механическое и химическое повреждение почвы и растительности.

Сравнительный анализ воздействия отечественных и зарубежных космодромов на окружающую среду показывает следующее. С главных наших космодромов "Байконур" и "Плесецк" осуществлялось в среднем за год от 65 до 75 пусков, и суммарная площадь территорий, подверженных их вредному воздействию составляет 18 млн. га. В отличие от отечественных космодромов, основные зарубежные расположены в прибрежной зоне, и их районы падения приходятся на акватории Атлантического и Тихого океанов. С обоих космодромов США (Восточный и Западный испытательные полигоны) осуществляется в среднем в год от 15 до 20 пусков. С французского полигона осуществляется в среднем в год не более 6-8 пусков.

Таким образом, если исходить только из соотношения числа пусков, то отечественные космодромы примерно в 3-4 раза сильнее воздействуют на среду, чем зарубежные. Однако на самом деле это соотношение следует увеличить на несколько порядков, во-первых, из-за того, что:

способность океана ассимилировать многие вредные загрязнения гораздо выше, чем аналогичные возможности суши, и,

во-вторых, большинство запускаемых с зарубежных полигонов ракет используют твердое топливо, которое не содержит высокотоксичных веществ, имеющихся в жидком топливе.

Проливы и выбросы значительного количества токсичных КРТ происходят в РП отработавших ступеней и при авариях (на старте, в полете, при транспортировке).

Существует высокий не менее 3 %, риск аварий при запуске объектов РКТ особенно для старта РН. При авариях РН, которые, как правило, сопровождаются крупными пожарами и взрывами с мощными акустическими воздействиями (перепад давления на фронте ударной волны, шум), происходит значительный выброс продуктов сгорания и тепловой энергии оказывающий серьезное воздействие в приземную атмосферу и земную поверхность Существует сложная проблема утилизации РКТ и КРТ. Все вышесказанное свидетельств о невысокой экологичности РКТ и КРТ.

Так, только в 1996 г. в мире произошло 4 аварии РН при запусках (из них 2 в России). 15 января - катастрофа РН СZ-ЗВ (Китай) при старте с космодрома вследствие потери управляемости, со взрывом, падением фрагментов на населенный пункт, разрушено и повреждено большое количество домов. Погибло "не менее 6", ранено "более 100 человек". 4 июня авария РН "Ариан-5" (ЕКА) с четырьмя спутниками при пуске с космодрома Куру Французская Гвиана); на 40 с полета РН была аварийно подорвана для того, чтобы избежать падения на г. Куру. Большая часть обломков упала в радиусе 5 км, отдельные - до 17 км. Причинен материальный ущерб в сотни миллионов долларов, а также экологический ущерб природной среде. Люди, живущие в радиусе 25 км от космодрома, в течение 3-х суток жаловались на жжение в глазах, проблемы со зрением и слухом.