Загрязнение выхлопными газами ракетных двигателей распространяется высоко в атмосферу Земли

Многоразовая космическая технология привела к росту космических перевозок по более низким ценам, что подтверждается коммерческими космическими полетами таких компаний, как SpaceX и Virgin Galactic. Однако малоизученным остается вопрос о том, что выхлопные газы ракет создают значительный нагрев и композиционные изменения в атмосфере.

В журнале Physics of Fluids исследователи из Университета Никосии на Кипре оценили потенциальное влияние запуска ракеты на загрязнение атмосферы, изучив тепломассообмен и быстрое перемешивание побочных продуктов сгорания на высоте до 67 километров в атмосфере.

"Улучшение понимания ракетных выбросов требует моделирования и имитации гидродинамики выхлопных газов ракеты в атмосферу", - сказал соавтор исследования Димитрис Дрикакис.

Команда смоделировала выхлопные газы и развивающийся шлейф на нескольких высотах вдоль типичной траектории стандартной современной ракеты. Они сделали это в качестве прототипа двухступенчатой ракеты для доставки людей и полезных грузов на орбиту Земли и за ее пределы.

"Мы показываем, что загрязнение от ракет не следует недооценивать, поскольку частые запуски ракет в будущем могут оказать значительное кумулятивное воздействие на климат Земли", - сказал соавтор исследования Иоаннис Коккинакис.

Исследователи обнаружили, что производство термических оксидов азота (NOx), компонентов выхлопных газов, может оставаться высоким вплоть до высот с атмосферным давлением выше или даже немного ниже давления на выходе из сопел, то есть ниже высоты примерно 10 км.

В то же время масса углекислого газа, выбрасываемого при подъеме ракеты на высоту 1 км в мезосфере, эквивалентна той, которая содержится в 26 кубических километрах атмосферного воздуха на той же высоте.

Они обнаружили, что воздействие на атмосферу локально и кратковременно в мезосфере может быть значительным. Хотя воздушные потоки будут постепенно переносить и перемешивать CO2 из выхлопных газов по всей атмосфере, в конечном итоге возвращая CO2 к естественному уровню, временные рамки, в течение которых это произойдет, неясны.

Ученые считают, что еще может существовать определенное количество запусков ракет, выше которого мезосферный углекислый газ может накапливаться со временем, тем самым повышая естественный уровень и влияя на наш климат.

Их результаты показывают, что в худшем случае за время, необходимое ракете для достижения высоты 10 километров, может образоваться достаточное количество NOx, чтобы загрязнить более 2 кубических километров атмосферного воздуха с концентрацией NOx, которая, согласно Всемирной организации здравоохранения, находится на уровне, опасном для здоровья человека.

"Мы надеемся, что компании, занимающиеся коммерческими полетами, такие как SpaceX, Virgin Galactic и New Shepard, и связанные с ними производители двигателей, учтут эти эффекты в будущих разработках", - сказал Дрикакис.