Coś właśnie spada na Ziemię, a sejsmometry tańczą. Dopiero to zauważyliśmy
Dla lotnictwa cywilnego, infrastruktury na ziemi i środowiska to realne ryzyko, ale paradoks polega na tym, że wciąż bardzo słabo wiemy, gdzie takie upadki faktycznie następują.
Stare satelity, zużyte stopnie rakiet, moduły statków kosmicznych – każdego dnia kilka takich obiektów wraca z orbity na Ziemię, zwykle gdzieś nad oceanem. Problem jednak w tym, że nie zawsze wiemy gdzie dokładnie spadają i co po nich zostaje. Naukowcy udowodnili właśnie, że w odczytach sejsmometrów, które na co dzień rejestrują trzęsienia ziemi, ukryta jest mapa lotu spadającego kosmicznego złomu. Dzięki temu można w godzinę zrobić to, co dotąd trwało dniami, a mianowicie namierzyć trasę i ewentualne pole szczątków.
Kosmiczny złom spada niemal codziennie
Na niskiej orbicie okołoziemskiej panuje coraz większy tłok. Konstelacje satelitów komunikacyjnych, stare fragmenty rakiet, nieaktywne statki – wszystko to prędzej czy później musi spaść. Szacunki mówią, że średnio co dobę na Ziemię wracają co najmniej 3 duże obiekty: zużyte satelity albo fragmenty rakiet.
Większość z nich rozpada się w gęstych warstwach atmosfery i zamienia w chmurę plazmy i drobinek metalu. Część fragmentów może jednak dotrzeć do powierzchni – zwłaszcza masywne elementy, jak zbiorniki paliwa czy moduły statków. Dla lotnictwa cywilnego, infrastruktury na ziemi i środowiska to realne ryzyko, ale paradoks polega na tym, że wciąż bardzo słabo wiemy, gdzie takie upadki faktycznie następują.
Spektakularnym przykładem była sytuacja z listopada 2022 r., gdy Hiszpania i Francja na kilkadziesiąt minut zamknęły kawałek swojego nieba, bo nad południową Europę miał spaść masywny fragment chińskiej rakiety. Linie lotnicze przekierowywały rejsy, liczono straty, a sam obiekt w końcu wszedł w atmosferę po drugiej stronie globu, nad Pacyfikiem. Prognozy były, delikatnie mówiąc, mało precyzyjne.
Dlaczego radary gubią obiekty tuż nad Ziemią?
Na orbicie sytuacja wygląda jeszcze w miarę pod kontrolą. Trajektorie satelitów i rakiet śledzi globalna sieć radarów i teleskopów optycznych. Gdy obiekt krąży kilkaset kilometrów nad Ziemią, jego przyszłą pozycję można z dużą dokładnością przewidzieć na podstawie praw mechaniki.
Problem zaczyna się jednak dopiero wtedy, gdy najniższy punkt orbity schodzi w gęstsze warstwy atmosfery – mniej więcej poniżej 200 km. Tam w grę wchodzi już nie tylko grawitacja, ale też tarcie o powietrze. Atmosfera na tych wysokościach jest bardzo zmienna: jej gęstość zależy od aktywności słonecznej, temperatury, wiatrów. Dla spadającego obiektu oznacza to chaos.
Dzień przed wejściem w atmosferę okno niepewności co do momentu reentry potrafi mieć kilka godzin. A kilka godzin przy prędkościach orbitalnych to całe okrążenie Ziemi. Do tego radarów dalekiego zasięgu jest mało, ich dane bywają tajne, a w momencie, gdy wokół statku tworzy się gorąca osłonka zjonizowanego gazu, pomiary i tak stają się trudne.
Sejsmometr nie tylko do trzęsień ziemi. Niebawem mogą śledzić ogniste bolidy
Tu na scenę wchodzą sejsmometry. To instrumenty zaprojektowane do rejestrowania drgań gruntu – od wielkich trzęsień ziemi po delikatne wibracje generowane przez ruch uliczny czy pracujące maszyny. W wielu krajach, szczególnie tych uprzemysłowionych, ich sieć jest bardzo gęsta i dobrze zmapowana.
Choć kojarzą się z tym, co dzieje się we wnętrzu Ziemi, sejsmometry reagują także na zjawiska w atmosferze. Gdy nad danym obszarem przeleci obiekt z prędkością wielokrotnie przekraczającą prędkość dźwięku, powstaje grom dźwiękowy, czyli fala uderzeniowa, którą znamy choćby z przelotu myśliwca. W przypadku dużego fragmentu statku kosmicznego ten huk biegnie w dół jak skośny stożek, zwany stożkiem Macha, i w pewnym momencie uderza w ziemię.
Fala ciśnienia ściska na moment podłoże, potem je rozpręża. Dla sejsmometru wygląda to jak charakterystyczny impuls w kształcie litery N: szybkie wychylenie w dół, potem równie szybkie w górę. Zapisuje się to jako wyraźny ząb na wykresie drgań. Jeśli taki impuls pojawia się w tym samym czasie na dziesiątkach stacji w regionie, można z niego odtworzyć, jak i dokąd biegła fala uderzeniowa, a stąd już krok do trasy samego obiektu.
Chiński moduł nad 50 milionami ludzi
Aby sprawdzić, jak daleko da się zajść z samymi sejsmometrami, zespół z Johns Hopkins University i Imperial College London sięgnął po konkretne zdarzenie. W kwietniu 2024 r. orbitalny moduł chińskiej kapsuły Shenzhou zakończył swoją misję i miał spaść do oceanu. Prognozy przewidywały wejście w atmosferę gdzieś nad Atlantykiem lub południowym Pacyfikiem.
Rzeczywistość okazała się inna. Nad południową Kalifornią i Nevadą w środku nocy pojawił się jasny bolid – ognista smuga na niebie, którą widzieli zarówno mieszkańcy okolic Los Angeles, jak i liczni kierowcy na autostradach. Na orbicie właśnie zgasł ślad modułu.
Ten obiekt ważył około 1,5 tony i miał ponad metr promienia. Jest to wystarczająco dużo, by przy niekorzystnym przebiegu wydarzeń wyrządzić szkody po uderzeniu w teren zabudowany lub w samolot. Pod jego torami mieszkało około 50 mln ludzi. Według oficjalnych danych miał przelecieć dalej i rozpaść się nad oceanem. Sejsmometry miały jednak do powiedzenia coś zupełnie innego.
Jak z drgań ziemi wycisnąć trasę i prędkość spadającego statku?
Badacze przeanalizowali odczyty ze 127 stacji sejsmicznych rozmieszczonych w Kalifornii i w części Nevady. Na wielu z nich pojawiły się charakterystyczne impulsy – właśnie gromy dźwiękowe od przelotu fragmentów statku.
Patrząc na moment pojawienia się sygnału na każdej stacji, można narysować mapę czasowych plam, czyli miejsc, gdzie fala uderzeniowa dotarła wcześniej lub później. Te plamy układają się w charakterystyczne hiperbole, czyli krzywe powstające z przecięcia stożka Macha z powierzchnią Ziemi.
Analizując ten wzór, zespół wyznaczył:
- trajektorię – okazało się, że ognista smuga leciała około 40 km na północ od trasy wyliczonej wcześniej przez wojskowe centrum śledzenia orbit;
- prędkość – wynosiła około Mach 25-30, czyli mniej więcej 8 km/s, zgodnie z oczekiwaniami dla obiektu schodzącego z orbity;
- kąt opadania – bardzo mały, rzędu 2 stopni; w praktyce oznacza to, że moduł szurał po górnych warstwach atmosfery, zanim zaczął gwałtownie tracić wysokość.
Co ważne, sejsmometry pokazały też, gdzie mniej więcej skończyła się faza generowania gromów dźwiękowych. Za pewnym południkiem stacje przestały rejestrować wyraźne N-fale, pojawiały się tylko dużo słabsze sygnały dalszej propagacji akustycznej. To znak, że duże fragmenty albo całkowicie spłonęły, albo zaczęły spadać już w tzw. locie balistycznym, zwalniając poniżej prędkości dźwięku.
Gdy statek rozpada się na kawałki, sejsmometr też to widzi
Na niektórych stacjach sygnał nie był prostym pojedynczym impulsem. Zamiast jednego ząbka widać było całą serię drobniejszych pików, pojawiających się co kilkanaście setnych sekundy. To właśnie ślad rozpadu statku.
Każdy większy fragment, który na nowo wystawia się na hipersoniczny wiatr, generuje swój miniaturowy grom dźwiękowy. Jeżeli do rozpadu dochodzi kaskadowo – najpierw odrywa się jeden blok, potem kolejne – sejsmometry rejestrują całą sekwencję takich zdarzeń. Analiza ich amplitud pozwala oszacować, jak rozkładała się energia kolejnych pęknięć, a długość trwania tej kanonady mówi, na jakim mniej więcej odcinku toru następował główny rozpad.
Zespół wykazał, że w przypadku modułu Shenzhou rozpad miał charakter kaskady: seria zdarzeń o malejącej energii, rozgrywających się na stosunkowo krótkim odcinku trasy. To bardziej przypominało wielokrotne pękanie usztywnionej konstrukcji pod rosnącym naporem powietrza niż pojedynczą eksplozję.
Po co to wszystko?
Po co komukolwiek aż tak dokładny obraz tego, jak rozpada się kosmiczny złom? Powodów jest co najmniej kilka. Sejsmometry mogą przede wszystkim odegrać ważną rolę w szybkim wykrywaniu i analizie spadających z orbity obiektów – zwłaszcza tych, które mogą zawierać toksyczne paliwa, radioaktywne elementy czy odporne komponenty nieulegające spaleniu. Dzięki nim możliwe jest niemal natychmiastowe określenie toru lotu i miejsca upadku, co skraca czas reakcji służb. Ułatwia to zarówno akcje poszukiwawcze, jak i ocenę ryzyka związanego z przyszłymi przypadkami reentry.
Przeczytaj także:
Ponadto jest to uzupełnienie dla klasycznych metod monitoringu. Sejsmometry są rozmieszczone gęsto, a ich dane z wielu krajów są publicznie dostępne niemal w czasie rzeczywistym. To ogromna przewaga nad wielkimi radarami, których jest niewiele i których odczyty bywają zastrzeżone.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
