Met name de thermosfeer zal krimpen door stijging broeikasgassen. Dat heeft gevolgen voor het satellietenverkeer rond de aarde (afb: WikiMedia Commons)

De dreigende klimaatontwrichting blijkt ook effect te hebben op de steeds drukkere nabije ruimte rond de aarde. Volgens onderzoekers zou de groeiende concentratie aan broeikasgassen er voor zorgen dat er minder satellieten rond de aarde kunnen cirkelen. Bovendien hebben die toenemende concentraties effect op de ‘brandbaarheid’ van de atmosfeer.  Ruimtepuin maar ook meteorieten verbranden vaak grotendeels voordat ze op de aarde terechtkomen. Dat zal minder effectief worden verwachten de onderzoekers van, onder meer, het MIT in Cambridge (VS).
Meer broeikasgassen in de atmosfeer zou ertoe kunnen leiden dat de buitenste lagen van de aardatmosfeer gaan krimpen. Dat zou vooral effect hebben op de zogeheten thermosfeer, de atmosfeerlaag tussen de buitenste laag (exosfeer) en de mesosfeer; tussen de rond 80 km en tussen de 500 en 690 km boven de aarde. Daarin cirkelen het internationale ruimtestation en veel satellieten rond.
Wanneer de thermosfeer krimpt neemt de atmosferische ‘weerstand’ afneemt. Deze kracht (staat er in het persbericht; as) trekt oude satellieten en ander puin naar een hoogte waar ze in aanraking komen met zuurstofmoleculen en verbranden. Dat betekent dus dat dat ruimtepuin langer blijft rondzwerven.

De onderzoekers voerden simulaties uit van de manier waarop koolstofemissies de bovenste atmosfeer en de baandynamiek beïnvloeden, om zo de ‘satellietdraagkracht’ van de lage aardbanen te schatten. Deze simulaties voorspellen dat de ‘draagkracht’ van de populairste lagen tegen het jaar 2100 met 50% tot 66% zal zijn afgenomen als gevolg van de effecten van broeikasgassen. “Ons gedrag met broeikasgassen op aarde in de afgelopen 100 jaar heeft gevolgen voor de manier waarop we satellieten de komende 100 jaar bedienen”, zegt Richard Linares van MIT.

“De bovenste atmosfeer verkeert in een kwetsbare toestand, omdat klimaatverandering de status quo verstoort”, stelt hoofdauteur William Parker. “Tegelijkertijd is er een enorme toename in het aantal satellieten dat wordt gelanceerd, met name voor het leveren van breedbandinternet vanuit de ruimte. Als we deze activiteit niet zorgvuldig beheren en niet werken aan het verminderen van onze emissies, kan de ruimte te vol worden, wat leidt tot meer botsingen en puin.”

Periodieke krimp en uitdijing

De thermosfeer krimpt en zet van nature elke elf jaar uit als reactie op de normale activiteitscyclus van de zon. Als de activiteit van de zon laag is, ontvangt de aarde minder straling en koelt de buitenste atmosfeer tijdelijk af en krimpt, terwijl die op weg naar het zonnemaximum weer uitdijt.

In de jaren ’90 vroegen wetenschappers zich af hoe de thermosfeer zou reageren op broeikasgassen. Uit hun voorlopige modellen bleek dat de gassen warmte vasthouden in de onderste atmosfeer, waar we te maken hebben met opwarming van de aarde en het weer, terwijl dezelfde gassen op veel grotere hoogten warmte uitstralen en zo de thermosfeer effectief afkoelen. Onderzoekers voorspelden dat de thermosfeer door deze afkoeling zou krimpen, waardoor de atmosferische dichtheid op grote hoogte zou afnemen.
In de afgelopen tien jaar hebben wetenschappers veranderingen in de luchtweerstand van satellieten kunnen meten. Dit heeft enig bewijs opgeleverd dat de thermosfeer inderdaad krimpt als reactie op iets anders dan de natuurlijke, elfjarige cyclus van de zon. “De lucht valt letterlijk naar beneden, maar in een tempo dat tientallen jaren in beslag neemt”, zegt Parker. “We kunnen dit zien aan de manier waarop de weerstand op onze satellieten verandert.”

De onderzoekers vroegen zich af welke gevolgen deze reactie zou hebben voor het aantal satellieten dat veilig in een baan om de aarde kan opereren. Momenteel zweven er meer dan 10 000 satellieten in een lage baan om de aarde. Deze baan beschrijft een gebied in de ruimte tot op een hoogte van 2000 kilometer boven het aardoppervlak. Deze satellieten leveren essentiële diensten, zoals internet, communicatie, navigatie, weersvoorspellingen en bankieren.
Het aantal satellieten is de afgelopen jaren explosief toegenomen. Operators moeten daarom regelmatig botsingsvermijdende manoeuvres uitvoeren om de veiligheid te waarborgen. Eventuele botsingen kunnen puin genereren dat tientallen of zelfs honderden jaren in de baan om de aarde blijft zwerven. Hierdoor wordt de kans op nieuwe botsingen met zowel oude als nieuwe satellieten groter.
Parker: “De afgelopen vijf jaar zijn er meer satellieten gelanceerd dan in de voorgaande 60 jaar bij elkaar. Een van de belangrijkste dingen die we proberen te begrijpen, is of de weg dat we vandaag bewandelen, duurzaam is.”

‘Draagkracht’

Voor elke ‘schil’ of hoogtebereik van belang, modelleerden ze vervolgens de baandynamiek en het risico op satellietbotsingen op basis van het aantal objecten binnen de schil. Ze gebruikten deze aanpak om de ‘draagkracht’ van elke schil te identificeren. Parker: “We gebruiken dat idee van draagkracht en vertalen het naar het probleem van ‘draagkracht’ in de ruimte, om te begrijpen hoeveel satellieten in een lage baan om de aarde het kunnen volhouden.”

De onderzoekers vergeleken verschillende scenario’s voor de uitstoot van broeikasgassen in de komende eeuw om de effecten op de atmosferische dichtheid en luchtweerstand te onderzoeken: één waarin de concentraties broeikasgassen op het niveau van het jaar 2000 blijven en andere waarin de emissies veranderen volgens scenario’s van de het VN-klimaatforum. Zij kwamen tot de conclusie dat scenario’s met toenemende emissies zouden leiden tot een aanzienlijk lagere ‘draagkracht’ in een lage baan om de aarde.
Ze schatten dat tegen het einde van deze eeuw het aantal satellieten dat veilig op een hoogte van 200 en 1000 kilometer kunnen rondcirkelen, met 50% tot 66% kan afnemen vergeleken met een scenario waarin de emissies op het niveau van het jaar 2000 blijven. Als die ‘draagcapaciteit’ wordt overschreden, zelfs in een bepaalde regio, voorspellen onderzoekers dat er dan een onbeheersbare instabiliteit kan ontstaan. Dat wil zeggen dat er een reeks botsingen zal (kunnen) plaatsvinden die zoveel puin zal veroorzaken dat satellieten daar niet langer veilig kunnen functioneren.

Hun voorspellingen gaan uit van een periode tot het jaar 2100, maar de onderzoekers zeggen dat bepaalde delen van de atmosfeer nu al vol zitten met satellieten, met name van recente ‘megaconstellaties’ zoals Starlink van SpaceX, dat bestaat uit vloten van duizenden kleine internetsatellieten. Linares: “Megaconstellaties zijn een nieuwe trend en we laten zien dat we door de klimaatverandering minder ruimte in de ruimte zullen hebben. Op lokaal niveau zijn we nu bijna in de buurt van deze ‘draagcapaciteit’.”

“We vertrouwen erop dat de atmosfeer ons puin opruimt. Als de atmosfeer verandert, verandert de puinomgeving ook”, voegt Parker toe. “We laten zien dat de lange termijn vooruitzichten voor ruimteschroot van cruciaal belang zijn voor het beperken van onze uitstoot van broeikasgassen.”

Bron: Science Daily