Pamiętacie dziurę ozonową? Powtórkę z rozrywki zaserwują nam Elon Musk i Amazon

W latach 80. XX wieku naukowcy odkryli niepokojący fenomen - dziurę w warstwie ozonowej nad Antarktydą. Ten ochronny płaszcz zatrzymujący szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe słońca był niszczony przez substancje takie jak freony (CFC), powszechnie stosowane wtedy w aerozolach, lodówkach i klimatyzatorach. W odpowiedzi na ten kryzys, 16 września 1987 r. podpisano protokół montrealski - międzynarodowe porozumienie mające na celu wycofanie substancji zubożających warstwę ozonową.

Protokół montrealski okazał się jednym z największych sukcesów w historii globalnej współpracy ekologicznej. Dzięki niemu od 2000 r. następuje stopniowe odradzanie się warstwy ozonowej, która według prognoz powinna powrócić do pierwotnego stanu nad północną półkulą Ziemi do 2030 r., nad południową do 2050 r., a nad regionami polarnymi do 2060 r. Poprzez wycofanie 99 proc. szkodliwych substancji udało się udaremnić emisję 135 miliardów ton równoważnika CO₂ w okresie od 1990 do 2010 r.

Czytaj też:

Teraz jednak, w erze wszechobecnej łączności internetowej, pojawia się nowe zagrożenie. Nie pochodzi ono z dezodorantów czy klimatyzatorów, lecz z kosmosu - a dokładniej z tysięcy satelitów, które po zakończeniu swojej misji spalają się w atmosferze.

SpaceX Elona Muska już od 2019 r. wypuszcza na orbitę satelity Starlink, tworząc ogromną konstelację dostarczającą Internet w najbardziej odległych zakątkach świata. Na listopad 2024 r. firma umieściła na orbicie aż 6676 aktywnych satelitów. To jednak dopiero początek - amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) dała firmie zgodę na rozszerzenie sieci do 12 tys. satelitów, a długoterminowe plany SpaceX zakładają umieszczenie na orbicie nawet 42 tys. urządzeń.

Nie chcąc pozostać w tyle Amazon rozwija własny projekt - konstelację Kuiper. W kwietniu 2024 r. firma wystrzeliła pierwsze 27 satelitów tej sieci. Docelowo Amazon planuje umieścić na niskiej orbicie okołoziemskiej 3236 satelitów w ramach projektu o wartości 10 mld dol. Zgodnie z wymaganiami FCC firma musi umieścić na orbicie połowę swojej konstelacji - 1618 satelitów - do połowy 2026 r.

Obie firmy rywalizują o ten sam cel - zapewnienie globalnego dostępu do szerokopasmowego Internetu, szczególnie w miejscach, gdzie infrastruktura naziemna jest niedostępna lub zawodna. Amazon i Musk nie są jednak jedynymi graczami w tej kosmicznej rozgrywce. Według prognoz w ciągu najbliższych pięciu lat liczba satelitów na orbicie wzrośnie z obecnych około 12 tys. do między 60 tys. a 100 tys. Goldman Sachs przewiduje, że do 2035 r. wartość przemysłu satelitarnego wzrośnie ze współczesnych 15 mld do 108 mld dol.

Gdy satelity na niskiej orbicie kończą swoją misję nie pozostają tam na zawsze. Zgodnie z regulacjami FCC udana utylizacja satelitów oznacza ich ponowne wejście w atmosferę nie później niż pięć lat po zakończeniu misji. Problemem jest to, że spalanie satelitów w atmosferze nie jest procesem ekologicznie neutralnym.

Badacze z Uniwersytetu Południowej Kalifornii odkryli, że podczas spalania satelitów w atmosferze dochodzi do uwolnienia znacznych ilości tlenku aluminium. Aluminium stanowi zazwyczaj około 40 proc. masy satelity, a podczas procesu spalania przechodzi transformacje chemiczne. Typowy satelita Starlink o wadze 250 kg może wytworzyć około 30 kg nanocząsteczek tegoż tlenku aluminium.

Te mikroskopijne cząsteczki nie spadają od razu na Ziemię, lecz pozostają zawieszone w górnych warstwach atmosfery przez długi czas. Proces spalania zazwyczaj zachodzi w mezosferze, która znajduje się na wysokości od 50 do 80 km nad powierzchnią Ziemi. Cząsteczki tlenku aluminium mogą pozostawać w tej warstwie przez długi czas, zanim zaczną opadać na niższe wysokości, w tym do stratosfery, gdzie znajduje się warstwa ozonowa.

W przeciwieństwie do freonów, które bezpośrednio niszczyły cząsteczki ozonu, tlenek aluminium działa jak katalizator - przyspiesza reakcje chemiczne z chlorem, podobnie jak to się dzieje w przypadku niszczenia ozonu przez chlorofluorowęglowodory (CFC). Jedna cząsteczka tlenku aluminium może potencjalnie przyczynić się do zniszczenia tysięcy cząsteczek ozonu przez dziesięciolecia.

Badacze z Uniwersytetu Południowej Kalifornii zaobserwowali ośmiokrotny wzrost ilości tlenku aluminium w atmosferze między 2016 a 2022 r., co zbiega się z gwałtownym wzrostem liczby satelitów w tym okresie. Tylko w 2022 r. spalanie satelitów uwolniło do atmosfery około 41,7 ton metrycznych aluminium, co stanowi 30 proc. więcej niż naturalne poziomy pochodzące z mikrometeorytów (które generują około 16,6 ton tlenku aluminium w mezosferze).

Jeśli obecne tempo rozmieszczania satelitów się utrzyma, ilość uwalnianego tlenku aluminium może osiągnąć 360 ton metrycznych rocznie, co stanowi wzrost o 646 proc. w porównaniu do naturalnych poziomów atmosferycznych. Modele symulacyjne sugerują, że w skrajnym przypadku cząsteczki te mogłyby przyczynić się do dodatkowego 0,05 proc. rocznego ubytku ozonu nad Antarktydą. Choć ten odsetek wydaje się niewielki, może opóźnić lub odwrócić oczekiwane odradzanie się warstwy ozonowej.

Szczególnie problematyczny jest fakt, że skutki obecnie wprowadzanych do atmosfery zanieczyszczeń mogą nie być widoczne przez 20-30 lat. Na podstawie symulacji dynamiki molekularnej cząsteczki powstałe w mezosferze potrzebują tego czasu, aby opaść do warstwy ozonowej. Oznacza to, że kiedy wykryjemy mierzalne ubytki ozonu, mezosfera może już przepełniona cząsteczkami tlenku aluminium, które będą nadal wpływać na chemię ozonu przez kolejne lata, dopóki nie zostaną wprowadzone zmiany regulacyjne.

Jesteśmy obecnie w punkcie, w którym widzimy, że nadchodzi problem - ostrzega Kostas Tsigaridis, naukowiec badawczy z Centrum Badań Systemów Klimatycznych Uniwersytetu Columbia. Chociaż satelity prawdopodobnie nie stanowią tak dużego zagrożenia dla warstwy ozonowej jak chłodziwa i aerozole w latach 80., to problem będzie narastał. Nie powinniśmy teraz zamykać oczu tylko dlatego, że jest mały.

Istnieją alternatywy dla spalania satelitów w atmosferze. Jedną z nich jest wysyłanie niedziałających satelitów na tzw. orbitę cmentarną - wysoką orbitę z dala od operacyjnych pojazdów kosmicznych. Firma komunikacyjna Globalstar wcześniej korzystała z tego podejścia, ale zmieniła strategię na spalanie satelitów w atmosferze po zmianie regulacji.

Innym rozwiązaniem jest zastąpienie aluminiowych komponentów innymi materiałami. Iridium twierdzi, że już teraz obserwujemy przejście od dużych, ciężkich metalowych satelitów, takich jak te budowane w latach 70. i 80., do mniejszych, bardziej ekonomicznych wersji wykonanych w coraz większym stopniu z włókna węglowego (choć jego stratosferyczne implikacje nie zostały jeszcze zbadane).

Japonia pracuje nawet nad koncepcją satelity wykonanego głównie z drewna, a inne pomysły obejmują systemy zbierania satelitów w przestrzeni kosmicznej i przetwarzanie ich metalowych komponentów na nowe[. Jednak ponowne wykorzystanie satelitów nie okazało się jeszcze opłacalne.

Pomimo rosnących dowodów na potencjalne zagrożenia, zarówno firmy, jak i regulatorzy wydają się być niechętni do przemyślenia obecnego modelu biznesowego. Jay Schwarz, szef Biura Kosmicznego FCC, zapytany o środowiskowe skutki ponownego wejścia satelitów w atmosferę, stwierdził na początku kwietnia ubiegłego roku: Nie musimy ostatecznie wybierać między deregulacją a odpowiedzialnością za zrównoważony rozwój przestrzeni kosmicznej i środowiska.

Amerykańskie Biuro Odpowiedzialności Rządowej (GAO) w raporcie z 2022 r. wskazało, że prawdopodobnie konieczne będzie opracowanie nowych regulacji. Biuro stwierdziło, że emisje z ponownego wejścia satelitów mogą zmienić temperaturę stratosfery i uszczuplić warstwę ozonową, choć przyznało, że potrzebne są dodatkowe informacje, aby określić, jak znaczące mogą być te efekty.

Według Jonathana McDowella, badacza z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, badania nie są jeszcze wystarczająco definitywne, aby skłonić rządy lub regulatorów do działania. Naprawdę jeszcze do tego nie doszło - powiedział McDowell. Moim zdaniem tym, co rząd powinien teraz robić, jest agresywne finansowanie badań.

Globalny dostęp do Internetu, który zapewniają konstelacje satelitarne, ma niewątpliwie ogromne korzyści społeczne i gospodarcze. Umożliwia łączność w odległych regionach, wspiera edukację, ułatwia dostęp do usług zdrowotnych i stymuluje rozwój ekonomiczny. W przypadku klęsk żywiołowych czy konfliktów, jak wojna w Ukrainie, Internet satelitarny okazał się niezastąpiony, gdy tradycyjna infrastruktura telekomunikacyjna została zniszczona.

Jednocześnie jednak musimy rozważyć potencjalne długoterminowe koszty środowiskowe. Historia dziury ozonowej pokazuje, że działalność człowieka może mieć nieprzewidziane i daleko idące konsekwencje dla globalnych systemów ekologicznych, które chronią życie na Ziemi. Różnica polega na tym, że w przypadku freonów, gdy odkryto problem, społeczność międzynarodowa szybko zjednoczyła się, aby go rozwiązać. Teraz, gdy mamy wczesne ostrzeżenia o potencjalnym zagrożeniu ze strony satelitów, czy podejmiemy podobne działania zapobiegawcze, czy poczekamy, aż problem stanie się krytyczny?

Wobec braku wystarczających regulacji i przy stale rosnącej liczbie satelitów, obserwujemy klasyczny przypadek, gdy technologia rozwija się szybciej niż nasza zdolność do zrozumienia i zarządzania jej konsekwencjami. Odpowiedzialne podejście wymagałoby współpracy między przemysłem satelitarnym, naukowcami i regulatorami w celu znalezienia rozwiązań, które pozwolą na dalszy rozwój technologii kosmicznych przy jednoczesnej minimalizacji ich wpływu na atmosferę.

Może się to wydawać drobnym problemem w porównaniu z innymi wyzwaniami środowiskowymi, takimi jak zmiana klimatu, ale historia dziury ozonowej uczy nas, że nawet pozornie niewielkie zmiany w delikatnej równowadze atmosfery mogą mieć znaczące konsekwencje dla życia na Ziemi. Jak powiedział jeden z naukowców: Nie powinniśmy teraz zamykać oczu tylko dlatego, że problem jest mały.

Pozostaje pytanie: czy historia dziury ozonowej będzie dla nas lekcją, która pozwoli nam wyprzedzić potencjalny kryzys, czy też nieuchronnie zmierzamy ku powtórce z rozrywki, tym razem serwowanej przez satelitarne konstelacje Elona Muska i firmy Jeffa Bezosa?