DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-024-03910-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39362884
تاريخ النشر: 2024-10-03
المؤلف: Connor R. Barker وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الغاز ونظرية الحركة
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التأثيرات البيئية لمهام كوكبة الأقمار الصناعية الكبيرة (SMC)، التي أدت إلى زيادة في عمليات إطلاق الصواريخ والعودة البشرية، مما نتج عنه إطلاق ملوثات وثاني أكسيد الكربون (CO₂) عبر طبقات الغلاف الجوي المختلفة. لتحديد هذه الانبعاثات، يقدم المؤلفون جردًا عالميًا شاملًا لملوثات الهواء وCO₂ من عمليات إطلاق الصواريخ وعودة الأجسام بين عامي 2020 و2022. تم بناء هذا الجرد باستخدام مصادر موثوقة متعددة ويشمل تحققًا صارمًا ضد بث عمليات الإطلاق والدراسات السابقة. يتضمن عوامل مثل احتراق غازات الصواريخ بعد الإطلاق، وملفات التآكل الخاصة بالأجسام، والكتلة غير المتآكلة للأجسام العائدة، مما يكشف أن مهام SMC تمثل 37-41% من انبعاثات جزيئات الكربون الأسود، وأول أكسيد الكربون، وCO₂ بحلول عام 2022.
لقد زاد النشر السريع لـ SMC، وخاصة من قبل شركات مثل Starlink وOneWeb، بشكل كبير من عدد الأقمار الصناعية في مدار الأرض المنخفض (LEO)، مع خطط لأكثر من 60,000 قمر صناعي إضافي بحلول عام 2040. تستجيب الوكالات التنظيمية للمخاطر المرتبطة بالحطام الفضائي من خلال اقتراح تدابير لتقليل فترة حياة الأقمار الصناعية بعد المهمة. ومع ذلك، من المتوقع أن يؤدي تصميم أقمار SMC لتآكل كامل عند العودة وزيادة تكرار عمليات الإطلاق إلى تفاقم إطلاق المنتجات الكيميائية الضارة. تشير الدراسات إلى أن الانبعاثات الناتجة عن العودة البشرية قابلة للمقارنة مع انبعاثات النيازك الطبيعية، مع مساهمات كبيرة في جزيئات الهباء الجوي الستراتوسفيري واحتمال استنفاد الأوزون بسبب المواد المنبعثة المختلفة، بما في ذلك جزيئات الألومينا (Al₂O₃) والنيتروجين التفاعلي (NOₓ). بينما تعتبر انبعاثات CO₂ من هذا القطاع منخفضة نسبيًا مقارنة بالصناعات الأخرى، إلا أنها حاسمة لتتبع أهداف الحياد الكربوني.
الطرق
تشمل الطرق المستخدمة في هذا البحث إنشاء جرد شامل ثلاثي الأبعاد لانبعاثات ملوثات الهواء وCO₂ من عمليات إطلاق الصواريخ والعودة بين عامي 2020 و2022، مع التركيز على الارتفاعات حتى 80 كم. تستخدم الدراسة مجموعة بيانات قوية تم تجميعها من مصادر موثوقة متعددة، بما في ذلك وكالة الفضاء الأوروبية DISCOSweb والفهرس العام للأجسام الفضائية الاصطناعية (GCAT)، مدعومة بمختلف أدلة المهام وسجلات الإطلاق. تشمل عملية جمع البيانات التحقق الدقيق من المعلومات وسد الفجوات لضمان الدقة، خاصة فيما يتعلق بأنواع وكتل الوقود، والتي تعتبر حاسمة لتقدير الانبعاثات. تكشف التحليلات أن حوالي 68% من الوقود يتم استهلاكه ضمن نطاق الارتفاع المحدد، مع مساهمات كبيرة من مهام الكوكبة الكبيرة، التي زادت من 17% من إجمالي عمليات الإطلاق في عام 2020 إلى 22% في عام 2022.
تعالج المنهجية أيضًا فجوات البيانات من خلال استخدام بدائل للصواريخ التي تفتقر إلى معلومات محددة، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في تقدير الكتلة الجافة لمركبات الإطلاق من 2.1 غيغاغرام إلى 2.5 غيغاغرام وكتلة الوقود من 117.3 غيغاغرام إلى 148.4 غيغاغرام. تصنف الدراسة أيضًا الأجسام العائدة بناءً على أحداث إطلاقها وتقيّم تآكلها المحتمل أثناء العودة، مما يجمع بيانات عن 878 إلى 1,649 جسمًا عائدًا عبر سنوات الدراسة. تؤكد النتائج على أهمية جمع البيانات الدقيقة والتحليل في فهم التأثير البيئي لعمليات إطلاق الصواريخ، خاصة مع استمرار زيادة تكرار هذه الأنشطة.
المناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا شاملاً لعمليات إطلاق الصواريخ والعودة من 2020 إلى 2022، مع التركيز على الانبعاثات وتوزيعها الجغرافي. يستخدمون بيانات تحديد المواقع لعمليات الإطلاق والهبوط، بشكل أساسي من صواريخ فالكون 9 وفالكون هيفي، لرسم خريطة الانبعاثات عند خطوط عرض وطول معينة. تكشف الدراسة أن جزءًا كبيرًا من كتلة العودة (38%) يمكن تحديد موقعه بدقة، بينما يتم تقدير الكتلة المتبقية باستخدام قيود مختلفة. تشير النتائج إلى أن معظم أحداث العودة تحدث بالقرب من خط الاستواء، بما يتماشى مع انبعاج الأرض، وأن الانبعاثات الناتجة عن عمليات إطلاق الصواريخ موزعة عبر طبقات الغلاف الجوي المختلفة، مع زيادة ملحوظة في الانبعاثات خلال فترة الدراسة.
كما يوضح المؤلفون المنهجية المستخدمة في حساب انبعاثات ملوثات الهواء وCO₂، مشيرين إلى التعقيدات المرتبطة بتقدير الانبعاثات من أنواع الوقود المختلفة. يذكرون أن انبعاثات الملوثات مثل أول أكسيد الكربون وCO₂ والكربون الأسود (BC) تزداد مع الارتفاع بسبب تأثيرات الاحتراق بعد الإطلاق، مع زيادة كبيرة في الانبعاثات المنسوبة إلى مهام SpaceX. تؤكد الدراسة على عدم اليقين في مؤشرات الانبعاثات والتحديات في التحقق من البيانات بسبب محدودية الملاحظات التجريبية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التأثير البيئي المتزايد لعمليات إطلاق الصواريخ، خاصة من أنظمة الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام، وتوفر مجموعة بيانات لمزيد من تحليل الانبعاثات المتعلقة بالأنشطة الفضائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-024-03910-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39362884
Publication Date: 2024-10-03
Author(s): Connor R. Barker et al.
Primary Topic: Gas Dynamics and Kinetic Theory
Overview
The section discusses the environmental impacts of satellite megaconstellation (SMC) missions, which have led to an increase in rocket launches and anthropogenic re-entries, resulting in the release of pollutants and carbon dioxide (CO₂) across various atmospheric layers. To quantify these emissions, the authors present a comprehensive global inventory of air pollutants and CO₂ from rocket launches and object re-entries between 2020 and 2022. This inventory is built using multiple reliable sources and includes rigorous validations against launch livestreams and previous studies. It incorporates factors such as rocket plume afterburning, object-specific ablation profiles, and the unablated mass of returning objects, revealing that SMC missions account for 37-41% of emissions of black carbon particles, carbon monoxide, and CO₂ by 2022.
The rapid deployment of SMCs, particularly by companies like Starlink and OneWeb, has significantly increased the number of satellites in low-Earth orbit (LEO), with plans for over 60,000 additional satellites by 2040. Regulatory agencies are responding to the associated risks of space debris by proposing measures to reduce the post-mission lifetime of satellites. However, the design of SMC satellites for complete ablation upon re-entry and the increasing frequency of launches are expected to exacerbate the release of harmful chemical byproducts. Studies indicate that emissions from anthropogenic re-entries are comparable to natural meteor emissions, with significant contributions to stratospheric aerosol particles and potential ozone depletion due to various emitted substances, including alumina particles (Al₂O₃) and reactive nitrogen (NOₓ). While CO₂ emissions from this sector are relatively low compared to other industries, they are crucial for tracking carbon neutrality goals.
Methods
The methods employed in this research involve the creation of a comprehensive 3D inventory of air pollutant and CO₂ emissions from rocket launches and re-entries between 2020 and 2022, focusing on altitudes up to 80 km. The study utilizes a robust dataset compiled from multiple authoritative sources, including the European Space Agency’s DISCOSweb and the General Catalog of Artificial Space Objects (GCAT), supplemented by various mission guides and launch records. The data collection process includes meticulous cross-checking and gap-filling to ensure accuracy, particularly concerning propellant types and masses, which are critical for estimating emissions. The analysis reveals that approximately 68% of propellant is consumed within the specified altitude range, with significant contributions from megaconstellation missions, which increased from 17% of total launches in 2020 to 22% in 2022.
The methodology also addresses data gaps by employing proxies for rockets lacking specific information, leading to a notable increase in estimated total launch vehicle dry mass from 2.1 Gg to 2.5 Gg and propellant mass from 117.3 Gg to 148.4 Gg. The study further categorizes re-entering objects based on their launch events and assesses their potential ablation during re-entry, ultimately compiling data on 878 to 1,649 re-entering objects across the study years. The findings underscore the importance of accurate data collection and analysis in understanding the environmental impact of rocket launches, particularly as the frequency of such activities continues to rise.
Discussion
In this section, the authors present a comprehensive analysis of rocket launches and re-entries from 2020 to 2022, focusing on emissions and their geographical distribution. They utilize geolocation data for launches and landings, primarily from the Falcon 9 and Falcon Heavy rockets, to map emissions at specific latitudes and longitudes. The study reveals that a significant portion of re-entry mass (38%) can be accurately geolocated, while the remaining mass is estimated using various constraints. The findings indicate that most re-entry events occur near the Equator, consistent with the Earth’s oblateness, and emissions from rocket launches are distributed across different atmospheric layers, with a notable increase in emissions over the study period.
The authors also detail the methodology for calculating air pollutant and CO₂ emissions, highlighting the complexities involved in estimating emissions from various propellant types. They report that emissions of pollutants such as CO, CO₂, and black carbon (BC) increase with altitude due to afterburning effects, with a significant rise in emissions attributed to SpaceX missions. The study emphasizes the uncertainties in emission indices and the challenges in validating the data due to limited experimental observations. Overall, the research underscores the growing environmental impact of rocket launches, particularly from reusable rocket systems, and provides a dataset for further analysis of emissions related to space activities.