Падающий космический мусор можно отследить по звуковым ударам

В апреле 2024 года серия огненных шаров пронеслась по небу Южной Калифорнии — это были горящие обломки вышедшего из строя китайского космического аппарата, упавшие на Землю. По мере того, как космический мусор проносился сквозь атмосферу, его фрагменты создавали серию звуковых ударов. Сейсмические станции на Земле вели наблюдение.

Теперь в журнале Science исследователи сообщают об использовании этих сейсмических данных для ретроспективного, но точного прогнозирования траектории падающих обломков космического аппарата , которые в конечном итоге сгорели и не упали на Землю. Они утверждают, что этот метод демонстрирует, как сейсмические сети могут обеспечивать предупреждения о падающих объектах практически в режиме реального времени, которые точнее, чем прогнозы, основанные на радиолокационных наблюдениях.

«У нас уже есть эти датчики, и мы можем использовать их для других целей», — говорит Джон Крассидис, инженер-аэрокосмист из Университета Буффало, который не принимал участия в новом исследовании. «Я действительно впечатлен тем, каких успехов они достигли».

Такие агентства, как Космические силы США, используют радары для отслеживания объектов в космосе размером более 10 сантиметров. Число отслеживаемых объектов на околоземной орбите быстро растет — с примерно 20 000 объектов в 2015 году до более чем 43 000 сегодня. Некоторые объекты — это действующие космические аппараты, но подавляющее большинство — это космический мусор: вышедшие из строя спутники, отработанные ракетные ускорители и остатки столкновений в космосе. В конечном итоге, силы сопротивления воздуха заставляют объекты падать обратно на Землю. Небольшие объекты распадаются и сгорают в верхних слоях атмосферы, но более крупные объекты могут пережить этот путь. Падающие обломки представляют угрозу для самолетов, которые могут быть вынуждены изменить курс или задержать взлет. Хотя большая часть обломков, падающих на Землю, приземляется в никуда, обычно в океан, существует небольшая вероятность того, что они могут повредить здание или причинить вред человеку. А иногда мусор содержит токсичное или легковоспламеняющееся ракетное топливо.

Однако, по словам Крассидиса, отслеживать этот мусор и прогнозировать место его падения сложно, главным образом потому, что несовершенные модели верхних слоев атмосферы затрудняют предсказание того, как высокоскоростной космический мусор будет перемещаться в ней. Ситуацию еще больше осложняет то, что плотность атмосферы может меняться изо дня в день, говорит Нилтон Ренно, планетолог из Мичиганского университета. Солнечные вспышки, например, заставляют атмосферу поглощать больше энергии и расширяться в космос, что влияет на сопротивление, с которым сталкивается мусор, говорит он.

Бенджамин Фернандо, сейсмолог и планетолог из Университета Джонса Хопкинса, задался вопросом, могут ли тысячи сейсмических станций, разбросанных по всему миру, помочь решить эту проблему. Поскольку падающие объекты могут двигаться со скоростью примерно в 30 раз превышающей скорость звука, воздух перед ними сжимается, образуя мощную ударную волну. Когда этот звуковой удар достигает поверхности Земли, сейсмометры фиксируют сотрясение. Составляя карту времени прихода ударных волн на разных сейсмических станциях, Фернандо полагал, что сможет определить траекторию, скорость и степень разрушения падающих обломков.

Чтобы проверить теорию, Фернандо и его соавтор, инженер Имперского колледжа Лондона Константинос Хараламбус, изучили огненный шар над Калифорнией в апреле 2024 года, образовавшийся в результате неконтролируемого падения на Землю орбитального модуля китайской миссии «Шэньчжоу-15». Исследователи обнаружили, что 126 сейсмометров в Калифорнии и Неваде зафиксировали звуковые удары от падающих обломков.

Исследователи позаботились о том, чтобы не зафиксировать по ошибке землетрясение или другое событие. Многие станции под траекторией полета зафиксировали звуковые удары почти одновременно, что соответствует чрезвычайно высокой скорости падающего космического аппарата. «Эта картина совершенно однозначно указывает на то, что это не землетрясение, не серия столкновений автомобилей и не что-либо еще из того странного и удивительного, что мы иногда фиксируем сейсмометрами», — говорит Фернандо. На основе этих данных пара исследователей оценила траекторию космического аппарата примерно в 28 километрах к югу от ранее прогнозируемой траектории.

На пути к более широкому применению этого метода остаются препятствия. Фернандо говорит, что сложно правильно смоделировать влияние атмосферных условий, таких как ветер, который может изменить как траекторию движения обломков, так и звуковой удар. И, добавляет Ренно, может быть трудно определить места падения в районах, где не так много сейсмических приборов, как в подверженной землетрясениям Южной Калифорнии.

Однако Фернандо говорит, что у него есть идеи по усовершенствованию метода в надежде создать «автоматизированный конвейер для сейсмического обнаружения входящего в космическое пространство мусора в режиме, близком к реальному времени» в течение следующих 5 лет. По его словам, национальные космические агентства по всему миру уже выразили заинтересованность.