Vědci vyvinuli metodu, která pomocí seismických sítí sleduje pád vesmírného odpadu v reálném čase. Díky otřesům vyvolaným rázovými vlnami je možné přesně určit trajektorii a dopad družic – a včas zasáhnout, pokud hrozí riziko pro obyvatele nebo životní prostředí.
Rostoucí množství vesmírného odpadu, který znovu vstupuje do zemské atmosféry, našlo jedinečný sledovací systém: stejné seismické sítě, které detekují zemětřesení. To, co bylo dříve téměř neviditelným problémem – objekty padající, aniž by někdo věděl, kam a jak přesně – se nyní začíná sledovat s přesností, která se ještě před několika lety zdála být sci-fi.
Tým vědců pod vedením Benjamina Fernanda z Univerzity Johnse Hopkinse vyvinul metodu, která pomocí seismometrů sleduje v reálném čase trajektorii dopadu kosmického odpadu na Zemi, což umožňuje přesně určit, kam úlomky dopadnou, a hlavně, zda představují riziko pro lidi nebo životní prostředí.
Tato metoda, popsaná v časopise Science, je zásadním pokrokem při zvládání problému, který se každým rokem stupňuje, neboť do atmosféry denně vstupuje více družic a úlomků. Podle odhadů Evropské kosmické agentury (ESA) obíhá kolem Země více než 36 000 objektů větších než 10 cm a více než milion fragmentů o velikosti 1 až 10 cm, které jsou v určitém okamžiku potenciálními kandidáty na návrat do atmosféry.
Metoda je založena na jasném fyzikálním principu: vesmírné úlomky se při průletu atmosférou pohybují nadzvukovou rychlostí a vytvářejí rázovou vlnu neboli sonický třesk. Tato vlna otřásá zemí a aktivuje seismometry v její dráze. Shromažďováním a analýzou dat z těchto seismických stanic mohou vědci rekonstruovat trajektorii, rychlost a místo dopadu objektu. Jedná se v podstatě o způsob „odposlechu“ padajícího kosmického smetí, při němž je Země využívána jako obří mikrofon.
Fernando, hlavní autor studie, upozorňuje na naléhavost této záležitosti: „Opakované dopady jsou stále častější. V loňském roce vstupovalo do naší atmosféry každý den několik družic a my nemáme žádné nezávislé ověření toho, kam vstoupily a zda se dostaly na zem.„ Toto nedostatečné ověření není jen vědeckým problémem: komplikuje také řízení mimořádných událostí, právní odpovědnost a posuzování potenciálních škod.
Jak „slyšet“ pád družice
Abychom pochopili, proč mohou seismometry sledovat pád kosmického objektu, je užitečné objasnit, co tyto přístroje vlastně měří. Seismometr je mimořádně citlivý senzor, který zaznamenává zemské vibrace. Byly navrženy k detekci zemětřesení, ale zachycují také výbuchy, laviny, sopečnou činnost a dokonce i průlet velkých nadzvukových letadel.
Když kus kosmického smetí vstoupí do atmosféry rychlostí desítek tisíc kilometrů za hodinu, stlačí vzduch před sebou a vytvoří rázovou vlnu. Tato rázová vlna se šíří všemi směry, včetně směru k zemi. Když dosáhne povrchu, část této energie se přemění na seismické vlny, které procházejí zemskou kůrou a jsou zaznamenávány seismickými stanicemi.
Klíčem k metodě Fernanda a jeho týmu je kombinace informací z mnoha stanic najednou. Každý seismometr zaznamenává průchod vlny v trochu jiném čase. Přesným měřením těchto časů příchodu vlny a znalostí polohy každé stanice mohou vědci rekonstruovat trajektorii objektu v atmosféře, podobně jako se trianguluje poloha zemětřesení, tentokrát však sledují objekt pohybující se vysokou rychlostí.
Kromě toho je možné na základě struktury seismického signálu – jeho tvaru, trvání a intenzity – odvodit, zda se objekt roztříštil, kde se po trajektorii roztříštil a kolik energie uvolnil. To je zvláště užitečné pro rozlišení mezi řízeným návratem (např. raketového stupně navedeného do oceánu) a neřízeným návratem celé družice.
Z Kalifornie do Chile: Přesnost trajektorie
Účinnost systému byla demonstrována sledováním orbitálního modulu čínské kosmické lodi Shenzhou-15, která 2. dubna vstoupila zpět do atmosféry. Analýzou dat ze 127 seismometrů v jižní Kalifornii dokázal Fernandův tým a jeho kolega Constantinos Charalambous z Imperial College London přesně vytyčit její dráhu.
Modul, vážící více než 1,5 tuny, se pohyboval 25 až 30násobkem rychlosti zvuku severovýchodním směrem nad Santa Barbarou a Las Vegas. Seismické výpočty dokonce určily, jak se roztříštil, a o zhruba 40 kilometrů korigovaly trajektorii předpovězenou americkým vesmírným velitelstvím, které se opírá především o radarová data a modely vstupu do atmosféry.
Tato 40kilometrová rezerva se může zdát v planetárním měřítku malá, ale je rozhodující, pokud jde o to, zda trosky dopadnou nad město, venkovskou oblast nebo do oceánu. V případě Šen-čou-15 odpovídala konečná trajektorie řízenému návratu do atmosféry, ale cvičení ukázalo, že seismická síť může poskytnout nezávislý „druhý názor“ na to, co se na obloze skutečně stalo.
Tým použil podobné techniky také ke studiu dalších opětovných vstupů a vysokoenergetických atmosférických jevů, jako jsou bolidy (meteoroidy, které explodují v atmosféře). V roce 2013 například čeljabinský meteor v Rusku vyvolal tak silnou rázovou vlnu, že ji zaznamenaly seismické a infrazvukové sítě po celém světě, což umožnilo velmi podrobně rekonstruovat jeho energii a trajektorii.
Narůstající problém: více satelitů, více opakovaných záznamů
Potřeba takových metod nevzniká ve vzduchoprázdnu. V posledních dvou desetiletích počet družic na oběžné dráze prudce vzrostl, což je dáno komunikačními konstelacemi a konstelacemi pro pozorování Země. Jen konstelace Starlink společnosti SpaceX nyní přesahuje 5 000 operačních družic a tisíce dalších plánují různé společnosti a agentury.
Každá z těchto družic, raketových stupňů a kolizních fragmentů má nevyhnutelný konečný cíl: návrat do atmosféry. Některé z nich jsou řízeně deorbitovány do odlehlých oblastí oceánu, jako je například takzvaný „bod Nemo“, oblast Pacifiku vzdálená od jakéhokoli pobřeží. Mnoho jiných však znovu vstupuje nekontrolovaně, protože atmosférické tření postupně zpomaluje jejich oběžnou dráhu, až nakonec spadnou.
Podle Úřadu ESA pro kosmický odpad dochází každoročně k několika nekontrolovaným opětovným vstupům velkých objektů (nad jednu tunu) a mnohem více menších objektů. Většina z nich se v atmosféře rozpadne, ale ne vždy úplně. Na zem se mohou dostat kovové úlomky, prázdné palivové nádrže nebo odolnější součásti.
Doposud byly předpovědi návratu do atmosféry založeny především na radarových datech a modelech, které odhadují, jak atmosféra zpomaluje objekt. Tyto modely se musí vypořádat s měnící se atmosférou – ovlivněnou sluneční aktivitou, ročními obdobími a povětrnostními podmínkami – což přináší velké nejistoty. V nejhorším případě by potenciální dopadová zóna mohla být dlouhá tisíce kilometrů a protínat několik kontinentů.
Integrace seismických dat, která sledují objekt po vstupu do atmosféry, doplňuje tyto informace a poskytuje skutečnou trajektorii. To je rozdíl mezi předpovědí „někde v tomto obrovském koridoru“ a možností říci „proletěl tudy, v tomto čase, touto rychlostí a jeho úlomky dopadly v této konkrétní oblasti“.
Rizika pro životní prostředí a zdraví: mimo přímý dopad
Kromě lokalizace má tato technologie zásadní význam pro posouzení rizik spojených s každým dopadem. Velká část úlomků shoří při návratu do atmosféry a uvolní potenciálně toxické částice, které mohou zůstat v atmosféře a být roznášeny větrem. Mezi běžné materiály v družicích a raketách patří hliníkové slitiny, titan, nerezová ocel a v některých případech sloučeniny berylia nebo chemické látky z paliv a maziv.
V posledních letech začalo několik studií analyzovat dopad těchto opětovných vstupů do horních vrstev atmosféry. Nedávný výzkum například naznačuje, že hořící zbytky družic mohou do stratosféry vnášet značné množství hliníku, což má zatím nedostatečně pochopený vliv na chemii atmosféry a ozonovou vrstvu. Možnost přesně určit, kde a jak se tyto objekty rozpadají, je prvním krokem ke kvantifikaci tohoto vlivu.
Kromě toho je tato metoda klíčová pro objekty s nebezpečnými materiály, jako jsou radioizotopové generátory (RTG), které využívají plutonium nebo jiné radioaktivní prvky k výrobě elektřiny na vesmírných misích daleko od Slunce. Ačkoli jsou tato zařízení navržena tak, aby přežila neporušená náhodný návrat do atmosféry, historie ukazuje, že ne vždy je možné je sledovat.
Fernando připomíná případ ruské sondy Mars 96, jejíž radioaktivní úlomky spadly v roce 1996, aniž by byla potvrzena jejich poloha, a jak se o několik let později našlo plutonium v ledovci v Chile, což naznačovalo kontaminaci při sestupu. Systém schopný rychle rekonstruovat skutečnou trajektorii návratu by umožnil mnohem lépe zúžit oblast pátrání a bezprostředněji posoudit riziko.
Od základní vědy k řízení mimořádných událostí
Využití seismických sítí ke sledování kosmického odpadu vychází ze stávající infrastruktury. Mezinárodní seismologická komunita udržuje po celém světě desítky tisíc stanic, z nichž mnohé jsou propojeny v reálném čase. Organizace Smlouvy o všeobecném zákazu jaderných zkoušek (CTBTO) navíc provozuje globální síť seismických, infrazvukových a hydroakustických stanic pro detekci jaderných výbuchů. Fernandův tým využívá této infrastruktury ke sledování kosmického odpadu.
Fernandův tým využívá právě této husté a dobře kalibrované sítě. Není třeba rozmísťovat nové senzory: stačí vyvinout algoritmy schopné identifikovat mezi všemi seismickými daty charakteristické znaky nadzvukového návratu do atmosféry. Jakmile jsou tyto informace zjištěny, mohou být sdíleny s kosmickými agenturami, službami civilní ochrany a místními orgány.
V ideálním případě by takový systém umožnil např.:
- Během několika minut potvrdit, zda při vstupu do atmosféry vznikly úlomky, které se dostaly na zem.
- Vymezit oblast možného dopadu, aby bylo možné řídit pátrání a vyhnout se fámám nebo dezinformacím.
- Posoudit, zda objekt obsahoval nebezpečné materiály a zda je třeba nasadit specializované týmy.
- Nezávisle ověřit informace poskytnuté provozovateli družic nebo vojenskými vesmírnými veliteli.
Posledně jmenovaný detail není zanedbatelný. Vesmírný odpad není jen technickým problémem, ale také politickou a právní otázkou. Mezinárodní smlouvy, jako je Smlouva o kosmickém prostoru z roku 1967 a Úmluva o mezinárodní odpovědnosti za škody způsobené kosmickými objekty z roku 1972, uvádějí, že státy jsou odpovědné za škody způsobené jejich kosmickými objekty, i když jsou provozovány soukromými společnostmi. Schopnost prokázat nezávislými údaji, kam a jak objekt spadl, může být v budoucích sporech klíčová.
Omezení a další kroky
Metoda není dokonalá ani univerzální. Nejlépe funguje v regionech s hustou a dobře rozloženou seismickou sítí, jako jsou Spojené státy, Evropa nebo Japonsko. V oblastech s malým počtem stanic je rekonstrukce trajektorie nejistější. Kromě toho může být signál generovaný malým objektem maskován seismickým šumem na pozadí nebo jinými souběžnými událostmi.
Přesto je potenciál obrovský. Vědci již pracují na kombinaci seismických dat s dalšími zdroji informací, jako jsou infrazvukové senzory (které detekují velmi nízkofrekvenční tlakové vlny vzduchu), celoplošné kamery, radary a pozorovací družice. Záměrem je vytvořit integrovaný systém sledování, který by téměř v reálném čase sledoval jakýkoli významný návrat do atmosféry.
Zkoumají se i jiné aplikace než jen kosmické smetí. Podobné techniky by mohly pomoci lépe studovat přirozené vnikání meteoritů, kalibrovat modely horních vrstev atmosféry nebo dokonce testovat budoucí technologie pro návrat kosmických lodí do atmosféry s využitím Země jako laboratoře.