Avaruusromu - avaruusympäristöongelma Jussi Markkanen EISCAT SGO 9. 11. 2007 1
Avaruusaika oli 4.10. 2007 kestänyt 50 v. Ongelma Mikä menee ylös, ei tule takaisin alas (ainakaan riittävän pian) Tähän mennessä n. 4600 laukaisua kiertoradalle (viime vuosina n. 60/vuosi), joiden seurauksena kiertoradalle n. 30 000 luettelokokoista (>10 cm) kappaletta, Sputnik 1 4.10.57-4.1.58 Baikonur, 4.10.1957 joista n. 2/3 on tähän mennessä pala(n)nut ilmakehään. 2
Avaruusromu eli (kierto-)rataromu Avaruusromu Kiertoradalla oleva aines, joka ei enää ole hyötykäytössä. n. 12 000 luettokokoista kappaletta, joista n. 600 hyötykäytössä. Dec-199 7 Dec-1997 3
Maailmanlaajuinen ympäristöongelma GOOGLE, englanninkielinen haku: Ydinjäte 25 10 6 Avaruusromu 2 10 6 Otsoniaukko 1.7 10 6 Vaivaiset 50 vuotta sitten [ylhäällä] oli vain koskematon, pikimusta avaruus, mutta nyt siellä on sotkuisempaa kuin opiskelijakämpässä. Chris Kemp, CityBeat, Jun 2001 4
9.8.81 Romu sapettaa monia :-( 5
Luettelokaman tyypit ja määrän kasvu Lukumäärä 10 000 9000 8000 7000 6000 5 000 4000 3000 2000 1000 0 1960 1970 1980 1990 2000 Vuosi Yhteismäärä Satelliitit Kokonaismassa n. 5 000 tonnia. Hajoamissirpaleet (elävät ja kuolleet) Kantoraketit Toimintaan liittyvä lähde: NASA ODQN Huhtik. 2006 räjähdykset (5-6 / v.) (törmäykset) 6
50-vuotispäivänä kisaa johtaa... Ylös mennyttä, vaan ei alas tullutta Lähde:NASA:n ODQN, Lokakuu 2007 http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/odqnv11i4.pdf Sputnik 1 4.10.57-4.1.58 7
Pikkuromu: alumiinipöly ja -kuona (kiinteää polttoainetta käyttävistä rakettimoottoreista) Jan 16, 2003 8
Pikkuromu: maalihituset, piirilevyjen palaset,... Avaruussukkulan ikkuna Avaruussukkulan rahtitilan luukku 4 mm 2.7 mm Syyllinen: maalihitunen (< 2 mm) Syyllinen: Lasikuitujyvänen, 1.2 mm, 2 mg, nopeus 4 km/s. Lähde: NASA ODQN, Heinäk. 2007 9
Luettelokohteiden (>10 cm) määrä eri korkeuksilla MATALATradat (LEO) GPS yms. as on Aug 21st, 1997 GEO - rengas Lähde: YK, 1999 Number / km 3 Määrä / km 3 LEO-alue Ratakorkeus Altitude (km) / km Havaintoja /t. / 25 km <N> / hour / 25 km bin 5 4 3 2 1 0 EISCAT, Huippuvuorten tutka, Heinäk. 2006 kohteet > 3-4 cm 0 500 1000 1500 2000 Altitude (km) Ratakorkeus (km) 10
Romuhitusia on aika harvassa... ESA:n avaruusromumallin MASTER 2001 mukaan yli 1 cm:n kokoisia romukappaleita, joita mallissa on kaikkiaan on n. 340 000 kpl, on eniten 800 km:n korkeudessa, mutta sielläkin vähemmän kuin yksi miljoonaa kuutiokilometriä kohti. Millimetriluokan hiukkasia on n. 1000 kertaa tiheämmässä. Ennustettu romuosumien välinen aika pallolle, jonka halkaisija on 3.5 m Vaarallisin kokoluokka Ratakorkeus 1 mm - 1 cm 1 cm - 10 cm > 10 cm 10-100 v. 3 500-7 000 v. 150 000 v. 3-30 v. 700-1 400 v. 20 000 v. 7-70 v. 1 000-2 000 v. 30 000 v. Lähde: YK, 1999 11
mutta: romuhitu liike-energia-ase 7 km/s 70 km/h Isolla hitusella (vrt. LOSAT) on hyvin paljon energiaa 4g + 10 km/s = 50 kcal Tuhoamiskyky: iskuaalto räjäyttää tuusannuusaksi 5 kg:n kohteen. 12
Kriittinen mittausongelma Keskisuuri romu vaarallista satelliiteille, Pienet ( < 1 cm) mutta vaikea mitata hituset voidaan mitata paikan päällä tilastollisesti törmäysjälkien perusteella Suuret (> 10 cm) kappaleet voidaan mitata ohjusvalvontatutkilla EISCAT-tutkat ovat ainoat tutkat Euroopassa, jotka voivat mitata keskisuurta romua rutiininomaisesti. 13
Polaarivuoden avaruusromumittausta EISCAT:in Huippuvuorten tutkalla (ESR) voi seurata internetissä http://www.sgo.fi/~jussi/spade/ipy/ Mittauskampanja alkoi 11. 3. 2007 ja jatkunee maaliskuulle 2008. Tutkimusaiheena mm. FY1C-romurenkaan hajaantuminen. 14
Kiinan satelliitintorjuntakoe (ASAT) tammik. 2007 11.1. 2007 22:26 UT Kiina tuhosi maasta laukaistulla Dong Feng ohjuksella vanhan, n. tonnin painaneen FengYun 1C- sääsatelliittinsa 863 km:n korkeudessa. Seurauksena oli avaruusajan toistaiseksi vakavin avaruusympäristökatastrofi, n. 2300 uutta luettelosirpaletta (ja ehkä 40 000-50 000 cm-luokan sirua) vilkasliikenteiselle kiertorata-alueelle. 7000 6000 Luettelokokoisten hajoamissirpaleiden lukumäärän kehitys. FY 1C Number of fragments Lukumäärä 5000 4000 3000 2000 1000 Lähde: NASA:n ODQN, Heinäkuun 2007 numero. 1960 1970 1980 1990 2000 Vuosi Year 15
Avaruusromunäkymä Huippuvuorilla maalisk. 2006. (Kohteiden ratakorkeus ja Doppler-nopeus kolmen vuorokauden aikana) Doppler-nopeus (km s -1 ) Doppler velocity (km s 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ratakorkeus (km) Altitude (km) 1000 950 900 850 800 750 03/18 03/19 03/20 03/21 18 Mar 20 Mar 2006 Aika (UT) Havaintoja tunnissa N / hour 100 50 Σ = 1730 ave = 24.0 0 03/18 03/19 03/20 03/21 16
Avaruusromunäkymä Huippuvuorilla kesäk. 2007. (Kohteiden ratakorkeus ja Doppler-nopeus kolmen vuorokauden aikana) Doppler-nopeus (km s -1 ) Doppler velocity (km s 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ratakorkeus (km) Altitude (km) 1000 950 900 850 800 750 06/04 06/05 06/06 06/07 04 Jun 06 Jun 2007 Aika (UT) Havaintoja tunnissa N / hour 100 50 Σ = 2115 ave = 29.8 0 06/04 06/05 06/06 06/07 17
EISCAT-mittausgeometria Huippuvuorilla v r ɛ r h v Doppler velocity (km s 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1000 Altitude (km) 950 900 850 800 750 06/04 06/05 06/06 06/07 04 Jun 06 Jun 2007 18
Romupilven leviäminen (mallilasku) Pallosymmetrinen hajoaminen 800 km:n korkeudessa radalla, jonka kaltevuus on 98.7. Spherically symmetric breakup on an 800 km, inclination 98.7 orbit. Source: H. Klinkrad, Space debris, Kirjasta Models H.Klinkrad, and Risk Analysis, p. 72. Space debris, Models and Risk Analysis, s. 72, Springer, 2006. (Vrt. FY 860 km, 98.65 ) 1:n ratakierroksen jälkeen 20:n kierroksen jälkeen after 1 orbit after 20 orbits 12:00 6:00 3 kk:n jälkeen 4:n vuoden jälkeen after 3 months after 4 years 19
FY 1C romurengas 13.3. 2007 Suunta aurinkoon 13.3 06:00 UT 13.3 12:00 UT Kuva: H. Krag, ESA Kuva: H. Krag, ESA Doppler nopeus (km s 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ratakorkeus (km) 1000 950 900 850 800 750 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 13. 3. 2007 Tapahtumia tunnissa 60 40 20 0 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 13.3. 2007 20
FY 1C romurengas 23.8. 2007 Suunta aurinkoon 23.8 06:00 UT 23.8 12:00 UT Kuva: H. Krag, ESA Kuva: H. Krag, ESA Doppler nopeus (km s 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Ratakorkeus (km) 1000 950 900 850 800 750 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 23. 8. 2007 Tapahtumia tunnissa 60 40 20 0 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 23.8. 2007 21
Kokousesitelmä lokakuussa 2007 Detection of Small-Size Space Debris with the FGAN and EISCAT Radars 7 th US-Russian Space Surveillance Conference, Holger Krag 1, Heiner Klinkrad 1, Rüdiger Jehn 1, Jussi Markkanen 2 and Ludger Leushacke 3 1 ESA Space Debris Office, 2 EISCAT Scientific Association, 3 FGAN-FHR Johtopäätös From first rough calibration the extend of this ASAT event can be characterised as follows (at epoch August 23 rd, 2007): # of objects > 1m: 14 (according to SSR) # of objects > 10cm: 1,862 (according to SSR) # of objects > 1cm: 55,000 (according to EISCAT/PROOF) # of objects > 1mm: 2,700,000 (according to MASTER/NBU) This fragmentation event is the most severe that ever occurred 22
FY1C-rengas levenee ja harvenee, mutta alas romu tulee verkalleen Vähennys (% alkuperäisestä määrästä) Percent of Total 20 15 10 5 FY1C romun ennustettu (1933 pieces) väheneminen Lifetime Plot of FENGYUN 1C Debris 0 0 20 40 60 80 100 Aika (vuosia) Years from 2007 July 9 Lähde: Source: CelesTrak/CSSI (http://celestrak.com/events/fy1c-lifetime.pdf) 23
Lisälukemista Ks. linkit avaruusromusivullani osoitteessa http://www.sgo.fi/~jussi/spade/index.html Paras tietämäni yliopistotason kirja on ESA:n avaruusromuasiantuntijan Heiner Klinkradin tuore, varsin kattava teos Space Debris: Models and Risk Analysis (Springer Praxis Books, 2006) 24