شرکت‌های ارتباطی مانند استارلینک قصد دارند ده‌ها هزار ماهواره را در حدود یک دهه آینده به مدار زمین بفرستند. ازدحام فزاینده در حال حاضر مشکلاتی را برای ستاره شناسان ایجاد کرده است، اما تحقیقات اخیر سؤال دیگری را مطرح کرده است: وقتی آنها شروع به پایین آمدن می کنند چه اتفاقی می افتد؟
زمانی که این ماهواره ها به پایان عمر مفید خود برسند، در جو زمین سقوط کرده و می سوزند. در طول مسیر، آنها ردی از ذرات فلزی ریز را به جا خواهند گذاشت.
بر اساس مطالعه‌ای که هفته گذشته توسط تیمی از محققان آمریکایی منتشر شد، باران ماهواره‌ای ممکن است سالانه ۳۶۰ تن ذرات ریز اکسید آلومینیوم را در جو تخلیه کند.
آلومینیوم عمدتاً در ارتفاعات بین ۵۰ تا ۸۵ کیلومتری تزریق می شود، اما سپس به سمت استراتوسفر – خانه لایه محافظ ازن زمین – می رود.
معنی آن چیست؟ بر اساس این مطالعه، کنتریل ماهواره می تواند واکنش های شیمیایی تخریب کننده ازن را تسهیل کند. این اشتباه نیست، اما همانطور که خواهیم دید داستان چندان ساده نیست.
ازن چگونه از بین می رود؟
از بین رفتن اوزون در استراتوسفر توسط ‘رادیکال های آزاد’ – اتم ها یا مولکول های دارای الکترون آزاد ایجاد می شود. هنگامی که رادیکال ها تولید می شوند، چرخه هایی را شروع می کنند که بسیاری از مولکول های ازن را از بین می برند. (این چرخه‌ها نام‌هایی دارند که دکتر سوس آنها را تحسین می‌کند: NOx، HOx، ClOx و BrOx، زیرا همگی به ترتیب شامل اکسیژن و همچنین نیتروژن، هیدروژن، کلر و برم هستند.)
این رادیکال‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که گازهای پایدار توسط نور فرابنفش، که در استراتوسفر به وفور وجود دارد، تجزیه می‌شوند.
اکسیدهای نیتروژن (NOx) با اکسید نیتروژن شروع می شود. این یک گاز گلخانه ای است که به طور طبیعی توسط میکروب ها تولید می شود، اما تولید کودهای انسانی و کشاورزی میزان آن را در هوا افزایش داده است.
چرخه HOx شامل رادیکال های هیدروژن از بخار آب است. بخار آب زیادی وارد استراتوسفر نمی شود، اگرچه رویدادهایی مانند فوران آتشفشانی زیر آب هونگا تونگا-هونگا هاآپای در سال ۲۰۲۲ گاهی اوقات می توانند مقادیر زیادی را تزریق کنند.
آب در استراتوسفر ذرات آئروسل کوچک متعددی را ایجاد می کند که سطح وسیعی را برای واکنش های شیمیایی ایجاد می کند و همچنین نور بیشتری را برای ایجاد غروب زیبا پراکنده می کند. (بعداً به هر دوی این نکات باز خواهم گشت.)
چگونه CFC ها ‘حفره اوزون’ را ایجاد کردند
ClOx و BrOx چرخه هایی هستند که مسئول معروف ترین آسیب به لایه اوزون هستند: ‘حفره اوزون‘ ناشی از کلروفلوئوروکربن ها (CFCs) و هالون ها. این مواد شیمیایی که اکنون ممنوع شده اند، معمولاً در یخچال ها و کپسول های آتش نشانی استفاده می شوند و کلر و برم را وارد استراتوسفر می کنند.
CFC ها به سرعت رادیکال های کلر را در استراتوسفر آزاد می کنند. با این حال، این کلر فعال به سرعت خنثی می شود و در مولکول هایی با رادیکال های نیتروژن و آب محبوس می شود.
اتفاق بعدی به ذرات آئروسل در استراتوسفر بستگی دارد و در نزدیکی قطب ها نیز به ابرها بستگی دارد.
آئروسل ها با ایجاد سطحی برای انجام واکنش های شیمیایی، سرعت آنها را افزایش می دهند. در نتیجه، ذرات معلق در استراتوسفر، کلر فعال (و برم) را آزاد می کنند. ابرهای استراتوسفر قطبی نیز آب و اکسیدهای نیتروژن را از هوا حذف می کنند.
بنابراین به طور کلی، زمانی که آئروسل های استراتوسفری بیشتری در اطراف وجود داشته باشد، احتمالاً شاهد از بین رفتن بیشتر ازن خواهیم بود.
یک استراتوسفر فلزی فزاینده
جزئیات تزریق خاص اکسیدهای آلومینیوم توسط ماهواره های در حال سقوط بسیار پیچیده است. این اولین مطالعه ای نیست که آلودگی رو به رشد استراتوسفر ناشی از ورود مجدد زباله های فضایی را برجسته می کند.
در سال ۲۰۲۳، محققان در حال مطالعه ذرات آئروسل در استراتوسفر، ردپای فلزات را از ورود مجدد فضاپیما شناسایی کردند. آنها دریافتند که ۱۰ درصد از آئروسل های استراتوسفر از قبل حاوی آلومینیوم هستند و پیش بینی کردند که این میزان طی ۱۰ تا ۳۰ سال آینده به ۵۰ درصد افزایش خواهد یافت. (حدود ۵۰ درصد ذرات آئروسل استراتوسفر از قبل حاوی فلزات شهاب سنگ ها هستند.)
ما نمی دانیم که این چه تأثیری خواهد داشت. یکی از نتایج محتمل این خواهد بود که ذرات آلومینیوم باعث رشد ذرات حاوی یخ شوند. این بدان معنی است که ذرات کوچکتر، سرد و بازتابنده بیشتری با سطح بیشتری وجود خواهند داشت که شیمی روی آنها می تواند رخ دهد.
ما همچنین نمی دانیم که چگونه ذرات آلومینیوم با اسید سولفوریک، اسید نیتریک و آب موجود در استراتوسفر برهمکنش خواهند داشت. در نتیجه، ما واقعاً نمی‌توانیم بگوییم چه پیامدهایی برای از بین رفتن ازن خواهد داشت.
یادگیری از آتشفشان ها
برای اینکه واقعاً بفهمیم که این اکسیدهای آلومینیوم برای از بین رفتن ازن چه معنایی دارند، ما به مطالعات آزمایشگاهی نیاز داریم تا شیمی را با جزئیات بیشتر مدل کنیم و همچنین نگاهی به چگونگی حرکت ذرات در جو داشته باشیم.
به عنوان مثال، پس از فوران هونگا تونگا-هونگا هااپای، بخار آب موجود در استراتوسفر به سرعت در اطراف نیمکره جنوبی مخلوط شد و سپس به سمت قطب حرکت کرد. در ابتدا، این آب اضافی باعث غروب های شدید خورشید شد، اما یک سال بعد، این ذرات معلق آب در سراسر نیمکره جنوبی به خوبی رقیق شدند و ما دیگر آنها را نمی بینیم.
یک جریان جهانی به نام گردش بروئر-دابسون، هوا را به سمت استراتوسفر نزدیک استوا حرکت می دهد و دوباره در قطب ها به پایین برمی گردد. در نتیجه، ذرات معلق در هوا و گازها حداکثر تا شش سال می توانند در استراتوسفر باقی بمانند. (تغییرات اقلیمی این گردش را تسریع می‌کند، به این معنی که مدت زمان حضور ذرات معلق در هوا و گازها در استراتوسفر کوتاه‌تر است.)
فوران معروف کوه پیناتوبو در سال ۱۹۹۱ نیز غروب های زیبایی را ایجاد کرد. بیش از ۱۵ میلیون تن دی اکسید گوگرد را به استراتوسفر تزریق کرد که سطح زمین را به مدت حدود سه سال کمی بیش از نیم درجه سانتیگراد خنک کرد. این رویداد الهام بخش پیشنهادهای مهندسی زمین برای کاهش سرعت تغییرات آب و هوایی با قرار دادن عمدی ذرات معلق سولفات در استراتوسفر است.
سوالات زیادی باقی می ماند
در مقایسه با ۱۵ میلیون تن پیناتوبو، ۳۶۰ تن اکسید آلومینیوم مانند سیب زمینی های کوچک به نظر می رسد.
با این حال، ما نمی دانیم که اکسیدهای آلومینیوم در شرایط استراتوسفر چگونه رفتار فیزیکی خواهند داشت. آیا ذرات معلق در هوا کوچکتر و بازتابنده‌تر می‌سازد – بنابراین سطح را خنک می‌کند، بسیار شبیه به سناریوهای مهندسی ژئومهندسی تزریق آئروسل استراتوسفر؟
ما همچنین نمی دانیم که آلومینیوم چگونه از نظر شیمیایی رفتار خواهد کرد. آیا هسته های یخ ایجاد می کند؟ چگونه با اسید نیتریک و سولفوریک تعامل خواهد داشت؟ آیا کلر قفل شده را موثرتر از آئروسل های استراتوسفر فعلی آزاد می کند و تخریب ازن را تسهیل می کند؟
و البته، ذرات معلق آلومینیومی برای همیشه در استراتوسفر باقی نمی مانند. وقتی آنها در نهایت به زمین می افتند، این آلودگی فلزی در مناطق قطبی ما چه خواهد کرد؟
همه این سوالات باید حل شود. بر اساس برخی برآوردها، ممکن است بیش از ۵۰۰۰۰ ماهواره از هم اکنون تا سال ۲۰۳۰ به فضا پرتاب شوند، بنابراین بهتر است به سرعت به آنها رسیدگی کنیم.
رابین شوفیلد، دانشیار و دانشیار (محیط زیست و پایداری)، دانشگاه ملبورن
