(Теми для досліджень у шкільних наукових товариствах)
У далеких 70-х роках можна було почути розмови літніх людей, можливо не сильно освічених, але по-своєму мудрих: – Ракети в небо пускають мало не кожен день; – Дірок в небі понанапробивали тими ракетами, от і маємо: то дощ йде три тижні безперестанку, то сонце пече як в пустелі; – Супутників стільки, що скоро залізо з неба падати буде…
Хлопчики із сформованим природничим світоглядом знизували плечима, але згодом дізналися, що «дірки в небі» все таки з’явились – порушення озонової оболонки. Зараз немає одностайної позиції науковців щодо причин їхньої появи. Схоже, що виробництво фреонів, які використовуються в холодильному обладнанні і балончиках-спреях, роблять в цей негативний процес менший внесок, ніж запуск ракет-носіїв надвеликої потужності. Безперечно одне: небачені природні катаклізми, зміна клімату, глобальне потепління, зменшення популяцій тварин, зростання захворюваності людей пов’язані з господарською, науковою, енергетичною, комунікаційною (інформаційною) діяльністю людини. Накреслимо деякі питання, які можна рекомендувати для дослідження фізичними (екологічними, природничими) секціями шкільних наукових товариств. 1. Порушення екологічної рівноваги під час стартів надпотужних ракетно-космічних комплексів. Перший штучний супутник Землі масою 83,6 кг був запущений на навколоземну орбіту 4 жовтня 1957 р із застосуванням ракети-носія. Саме цим запуском ознаменований формальний початок Космічної ери, але також реальна і послідовна дія ракетно-космічної техніки на Землю і навколоземний космічний простір. Світовий ринок космічних товарів і послуг оцінюється в сотні мільярдів доларів і стійко росте щороку на 5 %. Разом з тим, досягнення і наслідки цього мають також зворотну, темну сторону – плату за прогрес. Вона визначається специфікою дослідження і освоєння навколоземного космічного простору, який, на відміну від аналогічного процесу відносно всіх інших природних середовищ, полягає в необхідності використання дуже могутніх технічних засобів, якими є космічні ракети. Найбільш могутня дія на природне середовище відбувається на космодромах в процесі старту великих ракет. Світовий вантажопотік, що реалізовується в даний час в космос, вимагає щорічно близько 100—120 пусків ракет-носіїв різної вантажопідйомності. Основними шкідливими чинниками, що впливають на стан навколишнього середовища при пусках ракет, є великі викиди продуктів згорання при старті в приземному шарі атмосфери (тропосфери). До небажаних локальних наслідків в районі старту ракет-носіїв можуть привести викиди хлористого водню і оксидів алюмінію. Ці викиди можуть викликати випадання кислотних дощів, збільшення вмісту в повітрі завислих частинок, токсичне забруднення хмар, зміну погодних умов на прилеглих до стартового майданчика територіях. При старті об’єкту, коли маса ракетно-космічної системи максимальна і швидкість польоту мала, відбувається могутній залповий викид продуктів згорання і теплової енергії, виникають сильні акустичні коливання (шуми і вібрації). Багато з вживаних компонентів ракетного палива є високотоксичним. Чим більша стартова маса, тим більший викид продуктів згорання. Є також залишки палива на відокремлюваних ступенях ракет-носіїв. Чим більша їх маса, тим більші залишки палива на відокремлюваних ступенях. Все це – чинники що забруднюють природне середовище. Цікавим може виявитись порівняльний аналіз дії російських («Байконур», «Плесецьк» ), інших зарубіжних космодромів. На відміну від російських, вони розташовані в прибережній зоні, і їх райони падіння доводяться на акваторії Атлантичного і Тихого океанів. З обох космодромів США (Східний і Західний випробувальні полігони) здійснюється в середньому в рік від 15 до 20 пусків. З французького полігону здійснюється в середньому в рік не більше 6-8 пусків. Особливим випадком впливу на навколишнє середовище є програма «морський старт» з використанням української ракетної техніки. Учні під керівництвом наукового керівника можуть зібрати інформацію про кількість вдалих стартів космічної техніки, їх територіальний спектр (за деякий період або в поточному році), проаналізувати забруднення ґрунту, атмосфери, поверхневих і ґрунтових вод високотоксичними продуктами згорання ракетного палива з можливістю отруєння ними живої природи і людини, засмічення територій металоконструкціями, механічне і хімічне пошкодження ґрунту і рослинності. 2. Наслідки аварій, що трапились під час стартів ракет-носіїв. Космічні події (аварії, катастрофи), пов’язані з недосконалими технічними характеристиками космічної техніки, викликають тяжкі наслідки. Зараз виникла і наростає нова загроза, обумовлена можливим падінням аварійних космічних апаратів на наземні об’єкти: населені пункти, атомні електростанції, хімічні та інші потенційно небезпечні об’єкти. Подібне аварійне падіння космічної ракети, що відбулося на території одного з районів Казахстану в 1999 р., привело до величезного матеріального збитку, а подальші планові запуски ракет з цього полігону були надовго припинені. Існує високий ризик аварій при запуску об’єктів ракетно-космічної техніки, особливо під час старту. При таких аваріях, які, як правило, супроводжуються великими пожежами і вибухами з могутніми акустичними діями (перепад тиску на фронті ударної хвилі, шум), відбувається значний викид продуктів згорання і теплової енергії, що надає серйозну шкоду приземній атмосфері і поверхні Землі. Наприклад, в 1996 р. в світі відбулися 4 аварії при запусках космічних ракет (з них 2 в Росії). 15 січня – катастрофа носія Сz (Китай) при старті з космодрому внаслідок втрати керованості, з вибухом, падінням фрагментів на населений пункт, зруйновано і пошкоджено велика кількість будинків. Загинуло не «менше 6», поранено «більше 100 чоловік». 4 червня аварія ракети «Аріан-5» (ЕКА) з чотирма супутниками при запуску з космодрому Куру (Французька Гвіана); на 40 с польоту вона була аварійно підірвана для того, щоб уникнути падіння на м. Куру. Велика частина уламків впала в радіусі 5 км., окремі – до 17 км. Заподіяний матеріальний збиток в сотні мільйонів доларів, а також величезний екологічний збиток природному середовищу. Наведемо ще кілька прикладів невдалих пусків ракет-носіїв: 20.11.2000. З Державного випробувального космодрому Міноборони РФ «Плесецьк» на замовлення компанії «Пускові послуги» здійснений пуск ракети-носія «Космос-3М», яка вивела на навколоземну орбіту супутник «QuickBird-1», що належить американській компанії EarthWatch Inc. Космічний апарат був виведений на орбіту з надзвичайно низьким перигеєм і вже на першому витку увійшов в атмосферу і зруйнувався. 27.12.2000. Невдачею закінчився пуск із космодрому «Плесецьк» ракети-носія «Циклон-3», яка повинна була вивести на навколоземну орбіту шість супутників зв’язку типу «Стріла-3». Через позаштатну роботу ракети-носія вона не надала необхідну швидкість космічним апаратам і супутники впали в Північний Льодовитий океан в районі острова Врангеля. 15.10. 2002. З випробувального космодрому РФ «Плесецьк» бойовими розрахунками Космічних військ РФ здійснено пуск ракети-носія «Союз-У», яка повинна була вивести в космос науково-дослідний супутник «Фотон-13». Пуск завершився аварією – ракета вибухнула на 29-й секунді польоту. 26.07.2006. Аварія ракети-носія типу «Дніпро», яка стартувала з космодрому Байконур. Вона впала на території Казахстану на відстані 150 км від точки запуску. Результатом стало попадання в повітря і на землю значної кількості гептилу. 31.12.2006. Ракета-носій «Зеніт-3 SL» компанії Морський Старт, яка виводила супутник NSS-8, зазнала аварії під час пускових операцій. Весь персонал знаходився в безпеці, ніхто не постраждав. 05.09.2007. Аварією закінчився нічний запуск з космодрому Байконур (Казахстан) російської ракети-носія «Протон-М» з японським супутником зв’язку. Через позаштатну роботу двигуна ракети не відбулося відділення другого ступеня ракети-носія. Аварія сталася на 135-й секунді роботи двигунів другого ступеня. Залишки ракети виявили в безлюдному районі в 50 кілометрах на південний схід від казахстанського Джесказгана, але велика кількість гептилу потрапила в грунт. Нарешті, окремий тип «планового» екологічного збитку пов’язаний з падінням «нижніх» ступенів ракет-носіїв. У баках зазвичай залишаються надлишки палива – недозаправка може призвести до втрати дорогого супутника, так що краще вже злегка перелити палива. У результаті, наприклад, падаюча на землю друга ступінь важкої ракети «Протон» несе приблизно 1200 кг металу, 600-900 кг гептилу і 1000-1500 кг азотного тетроксиду. Причому розпечена при гальмуванні в атмосфері ступінь може підпалити ліс або вибухнути. Як правило, другі ступені ракет, що запускаються з космодрому Байконур, потрапляють у так званий район падіння № 326. Він має форму еліпса площею понад 5000 кв. км, з яких більше половини – приблизно 3300 кв. км – припадають на територію Алтайського державного природного заповідника, який включений в програму ЮНЕСКО «Світова спадщина»; його територія повинна бути вільна від господарської діяльності. Учні (використовуючи засоби масової інформації, Інтернет) можуть зібрати детальні дані про випадки аварій під час запуску об’єктів ракетно-космічної техніки, дослідити, чи дійсно програма «Морський старт» має переваги з точки зору зменшення екологічної небезпеки. 3. Використання і знищення космічних апаратів та штучних супутників Землі. Космічне сміття. За порівняно коротке «космічне століття» ми досягли такого рівня антропогенної дії на близький космічний простір, якого не вдалося досягти відносно інших природних середовищ за декілька століть науково-технічного прогресу. Одним з негативних наслідків космічної активності є забруднення ближнього космосу «космічним сміттям». Так під час польоту американського корабля «Спейс Шатл» в його ілюмінатор потрапила частинка сміття і залишила вибоїну діаметром 2,4 мм і завглибшки 0,63 мм, пошкодивши скло в межах круга діаметром 4 мм. Дослідження показали, що пошкодження викликане частинкою фарби величиною з крупинку солі, тобто діаметром близько 0,2 мм що зустрілася з ілюмінатором з відносною швидкістю 6 км/с. Дослідження теплозахисного покриття і алюмінієвих жалюзі супутника «Solar Мах», доставлених на Землю космонавтами «Спейс Шатл», показали, що за чотири з гаком роки їх перебування в космосі на них утворилося 1910 крізних отворів і вибоїн діаметром від 40 до 300 мкм, тобто близько 8 отворів і вибоїн на 100 кв.см. З цього виходить, що, наприклад, навіть сірникова коробка в космосі випробувала б за цей час приблизно один удар. Енергія сміття внаслідок високої швидкості руху його частинок, більш ніж на порядок перевершує теплову енергію всіх молекул верхньої атмосфери даної області. Швидкість передачі цій енергії зростає у міру подрібнення сміття результаті взаємних зіткнень. Із зростанням маси сміття, вірогідність зіткнень росте і збільшується передача енергії сміття верхній атмосфері. Ці та інші наукові дані дають можливість зробити такі висновки: 1. Космічне сміття накопичується в космосі в обширній області висот від 400 км до 2000 км і вже в даний час його маса сумірна з масою всієї речовини вище 400 км. 2. Впродовж останніх тридцяти років спостерігається постійне зростання космічного сміття, і в даний час ми маємо більше 8000 постійно спостережуваних каталогізованих об’єктів, поперечний розмір яких перевищує 10 см, близько 300000 осколків розміром більше 1 см, і біля сотні мільйонів дрібніших частинок. 3. При збереженні сучасних темпів космічної діяльності по найскромніших прогнозах очікується подвоєння космічного сміття до кінця наступного століття. 4. При очікуваному подвоєнні космічного сміття, його кінетична енергія перевершить теплову енергію газу, в тій його частини, де сміття існує. Необхідно відзначити, що процеси розмноження частинок космічного сміття відомі погано. Вони повинні руйнуватися і під дією ультрафіолетового випромінювання і під дією такого могутнього окислювача, як атомарний кисень, що є основним компонентом верхньої атмосфери. Цей процес може приводити до зміни хімічного складу верхньої атмосфери, появи абсолютно чужих елементів, можливі наслідки чого поки важко передбачити. Можна бути лише упевненим в тому, що в міру вивчення число і спектр небезпек буде рости. Викид пилових частинок ракетними двигунами в стратосфері робить вплив на озоновий шар завдяки посиленню гетерогенного циклу руйнування озону. Проте в даний час гетерогенна хімія озону розвинена явно недостатньо і більшість дослідників вважають, що в руйнуванні озону в результаті ракетних пусків основною причиною є викиди хлорних і азотних сполук. Учні під керівництвом вчителя та наукового керівника можуть дослідити, чи переважає сучасний рівень космічного сміття допустимі безпечні межі, чи потрібна термінова стабілізація кількості сміття найближчим часом, чи навіть зниження; зробити висновки щодо вимог по зниженню його рівня (необхідність істотної перебудови всієї космічної діяльності, заборона космічних вибухів, скорочення числа запусків, збільшення терміну служби космічних апаратів, заборона на міждержавному рівні запусків космічних апаратів без наступного їх повернення на Землю). 4. Радіоактивне забруднення близького космосу та верхніх шарів атмосфери. Радіоактивне забруднення близького космічного простору пов’язане з широким використанням в космонавтиці ядерних енергетичних джерел. Найбільше ядерні реактори використовувалися на супутниках серії «Космос». Ці реактори працювали на сплавах або сполуках урану: U-238 з 90% і більшим збагаченням U-235. Основним способом забезпечення радіаційної безпеки була консервація ядерних енергетичних установок (точніше, активної зони) на достатньо високих орбітах. До таких орбіт можна віднести всі кругові орбіти, розташовані вище 700 км. В даний час на висотах 800-1000 км знаходиться близько 50 об’єктів з радіоактивними фрагментами. США менше використовували ядерні енергетичні установки на космічних апаратах. Всього американцями було запущено 12 таких супутників, росіянами – 36. Система радіаційної безпеки передбачає зупинку реактора і переведення його на достатньо високу орбіту, де час життя подібного об’єкту умисно перевищує час розпаду осколків поділу продуктів ядерного реактора. У разі відмови системи відведення або космічного апарату на орбіту консервації, передбачено диспергування ядерного реактора. Відповідна система включається до початку розігрівання і аеродинамічного руйнування конструкції космічного апарату, пов’язаного з входом в щільні шари атмосфери. Надійність системи радіаційної космічної безпеки демонстративно гірша прийнятих вимог по безпеці в галузях промисловості. Крім того, працюючий ядерний реактор помітно змінює природну фонову картину потоків нейтронів і гама-квантів в локальній області космічного простору. Ці зміни тим помітніші, чим вища орбіта. Дуже могутні ядерні реактори (до 1 Мвт) можуть в принципі погіршити природний стан радіаційних поясів, впливати на рух магнітних полюсів Землі. Істотне порушення радіаційної обстановки спостерігалося після ядерних вибухів, які проводилися в 60-ті роки. В результаті найбільш могутнього з них, здійснюваного в рамках американського експерименту «Морська зірка», виникли так звані штучні радіаційні пояси, які за деякими даними (зокрема за спостереженнями полярних сяйв) зберігалися протягом декількох років. Наслідки ядерних вибухів для верхньої атмосфери та іоносфери були вельми нищівні, проте про їх дійсні масштаби важко судити, оскільки у той час ще тільки починали розвиватися методи зондування цього середовища. Надалі будь-які ядерні випробування в космосі були заборонені. Вибір орбіт консервації ядерних реакторів був здійснений в кінці 60-х років, коли рівень космічного сміття був ще не дуже високий. Проте в даний час саме область висот 800-1000 км виявилася найбільш забрудненою, у зв’язку з чим виникла реальна небезпека руйнування ядерних реакторів в результаті зіткнень з фрагментами космічного сміття раніше, ніж відбудеться розпад осколків поділу урану. Розрахунки показують, що за час свого існування на орбіті (приблизно 200 років) ядерний реактор може зазнати порядка 20 аварійних зіткнень. Недавно стало відомо, що одне зіткнення з частинкою сміття розміром 0,5 см повинне мати місце в середньому за 6 років і за 26 років з частинкою розміром 1см. Наслідком такого зіткнення може бути розсіювання радіоактивної речовини в просторі з можливим його осіданням в приземну атмосферу. Кілька років тому американські учені повідомили про виявлення в стратосфері радіоактивних фрагментів космічного сміття, пов’язавши їх появу з руйнуванням ядерних реакторів супутників «Космос». Таким чином, саме зростання маси космічного сміття, будучи причиною руйнування ядерних космічних установок, визначає радіоактивне забруднення близького космічного простору. Головна екологічна небезпека пов’язана з можливістю падіння фрагментів зруйнованих ядерних систем і осідання радіоактивних речовин в атмосферу і на поверхню Землі. Подібний випадок відбувся в 1978 р. при аварії супутника «Космос-954», коли крупні радіоактивні осколки розсіялися на півночі Канади. Спеціальний аналіз атмосфери в різних точках планети в червні і вересні 1978 р. показав, що велика частина багатотонної маси «Космосу-954» випарувалася і була розсіяна в атмосфері Землі. У тому числі і щонайменше 37 кг ядерного палива. Величезну небезпеку мають викиди радіоактивного плутонію-238, який виділяє в 280 разів більше енергії, ніж Рu-239, і відповідно в 280 разів більш радіоактивний, ніж плутоній-239. 450 г Рu-238 при його рівномірному розповсюдженні достатньо, щоб викликати рак у всіх людей, що населяють Землю. 21 квітня 1964 р. навігаційний супутник США «Транзит» SВМ-3 не вийшов на заплановану орбіту, розвалився в атмосфері над західною частиною Індійського океану на північ від Мадагаскару, викинувши 950 г плутонію-238. В результаті вміст цього радіонукліда в навколоземному просторі збільшився в три рази. У травні 1965 р. вміст цього плутонію на висоті 10 тис.м в південній півкулі був в 4 рази вищий, ніж в північному. Аналіз ґрунтів показав його присутність на всіх континентах Землі. Учні під керівництвом наукового керівника можуть зібрати інформацію про поточні випадки радіаційного забруднення близького космічного простору, оцінити надійність використання космічних ядерних енергетичних установок (як відношення безаварійних випадків до загальної кількості), дослідити, чи залишається космонавтика сферою особливо ризикованої діяльності, чи розповсюджуються небезпечні наслідки тільки на її прямих учасників, чи на людство в цілому. 5. Порушення спектру і кількості енергії, одержуваної Планетою з зовні. Природа (в широкому значенні цього слова) не існує без фізичних полів, зокрема електромагнітного. Але сьогодні є багато відомостей про негативний вплив електромагнітного випромінювання на здоров’я людей і тому є правильним лише така поведінка суспільства і людини, коли науково-технічний прогрес буде відбуватися лише на мінімально-можливих технічно і екологічно обґрунтованих рівнях. Всесвітня організація охорони здоров’я визначила електромагнітне забруднення середовища проживання одним з найважливіших екологічних факторів. Чим викликане таке рішення? Людський організм являє собою ідеальне по своїй досконалості кібернетичний пристрій, що забезпечує злагоджену роботу ста трильйонів живих клітин, що становлять десятки органів і систем, у кожній з яких щосекунди відбувається в середньому тисяча різних біохімічних реакцій. Для забезпечення інформаційного зв’язку кожна клітина є радіоприймачем, налаштованим на ряд специфічних для нього частот, і одночасно радіопередавачем, налаштованим на ті ж частоти. При цьому, потужність електромагнітного випромінювання кожної клітини порядку 100 піковат. Сумарна потужність інформаційних сигналів людського організму становить від одного до десяти міліват. Природа економна. Її витвори досконалі. Не можна уявити собі суперкомп’ютер з такими даними як у людини, здатний переробляти і пропускати такі величезні обсяги інформації з хоча б трохи схожою економічністю. Але в його досконалості поміщена і його слабкість. Людська електромагнітна інформаційна система беззахисна проти того, що потрапляє в неї з навколишнього середовища. Людина за тривалий час свого існування пристосувалася до тих електромагнітних полів, які його оточують, оптимальним чином використовуючи корисні електромагнітні випромінювання і захищаючись від шкідливих. Наведемо приклади «корисних» частот: окремі стабільні частоти коливань іоносфери в діапазоні 1-100Гц використовуються для синхронізації біоритмів організму; частотний діапазон видимих хвиль – основне джерело нашої чуттєвої інформації – зору; діапазон міліметрових хвиль, що практично повністю поглинаються атмосферою, дуже зручний для внутрішніх інформаційних комунікацій. Експлуатація неабиякої кількості штучних супутників Землі приводить до появи електромагнітного випромінювання, яке у багато разів перевищує природний електромагнітний фон і погіршує діяльність живих організмів. Підступним джерелом електромагнітних полів високого біологічного ризику є космічні апарати зв’язку, які створюють на поверхні Землі густину потужності випромінювання до100 нВт/см2, що при тривалому опроміненні, а вони працюють безперервно, цілодобово, має проявитися у зростанні числа генетичних змін, у збільшенні числа захворювань на рак, на частку якого вже в даний час припадає понад 20% передчасних смертей, а також до інших вельми неприємних наслідків. Існуючі ШСЗ заповнюють Планету електромагнітним смогом. Рівень випромінювання від них в десятки тисяч разів перевищує природний електромагнітний фон. За останні десять років тільки потужність телевізійних транспондерів супутників збільшилась в сотні разів. Як приклад, наведемо технічні характеристики лише двох супутників геостаціонарних орбіт: Астра 1G — європейський телекомунікаційний супутник (23,5° сх. д.). Призначений для ретрансляції радіо- і телепрограм в аналоговому та цифровому форматах. Кількість транспондерів: 22; потужність транспондера: 100 Вт; Робочий діапазон: 12,5…12,75 ГГц. Thor 5 – новий космічний апарат зв’язку компанії Telenor Satellite Broadcasting. Метою запуску є заміна КА Thor 2, а також підвищення потужності за рахунок додаткових транспондерів. Точка стояння – 1° зх. д.; загальна потужність електрообладнання – 4162 Вт (на кінець терміну активного існування); кількість транспондерів: FSS–15, BSS–9; потужність транспондерів: FSS–55 кВт, BSS–150 кВт. Учні разом з науково-педагогічними керівниками можуть зібрати більш повну інформацію про кількість функціонуючих ШСЗ на низьких, еліптичних та геостаціонарних орбітах, потужність і спектр випромінювання їхніх передавачів, густину потужності на різних територіях, зробити висновок про рівень небезпеки випромінювання, спрямованого з близького космосу (буквально) на голову людської цивілізації.
Роботу з наміченої тематики не можна віднести до якогось конкретного шкільного предмета. Для її проведення необхідні знання природничих дисциплін, навики реалізації інформаційних процесів, загальнотехнічна і космічна ерудованість тощо. Але саме такі молоді люди зможуть в майбутньому зважити з одного боку корисні прояви сателітизації (всесвітні телевізійна і телефонна мережі, точніший прогноз погоди, система сигналізації про морські і повітряні суди, що терплять лихо, глибші знання про Місяць та інші планети, щохвилинне спостереження за підозрілою діяльністю на території інших держав), з другого – небезпечні екологічні наслідки космічної діяльності для біосфери Землі та її мешканців.
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайтів http://www.sea-launch.com, http://pravoved-ua.biz, http://www.sitc.ru, http://www.nasa.gov.
В.М.Мельничук, вчитель Топорищенського НВК, Володарськ-Волинського району. Ел. адреса: veteor@ukr.net
Цікавий новизною останній пункт: кількість і спектр енергії, одержуваної Планетою з зовні. Це питання навіть пресою ще не піднімалось, хоч вона любить такі смажені теми.
