Den här grafen visar den årliga globala stratosfäriska svarta kolbelastningen som genereras av 10 000 ton sotavgaser per år (svart), 30 000 ton per år (blått) och 100 000 ton per år (grönt). Det 50-åriga tidsseriegenomsnittet är märkt direkt ovanför varje rad. Den röda skuggningen representerar de första 10 åren av simuleringen som är exkluderade från resten av analysen. Aktuell rymdfärdsaktivitet bidrar med cirka 1 000 ton svart kol till stratosfären varje år. Kredit:NOAA Chemical Sciences Laboratory
Den förväntade tillväxten av raketuppskjutningar för rymdturism, månlandningar och kanske resor till Mars har fått många att drömma om en ny era av rymdutforskning. Men en NOAA-studie tyder på att en betydande ökning av rymdfärdsaktiviteten kan skada det skyddande ozonskiktet på den planet där vi bor.
Fotogenbrännande raketmotorer som ofta används av den globala uppskjutningsindustrin släpper ut avgaser som innehåller svart kol, eller sot, direkt in i stratosfären, där ett lager av ozon skyddar alla levande varelser på jorden från de skadliga effekterna av ultraviolett strålning, som inkluderar hudcancer och försvagat immunsystem hos människor, såväl som störningar i jordbruk och ekosystem.
Enligt ny NOAA-forskning publicerad i Journal of Geophysical Research:Atmospheres , en tiofaldig ökning av kolvätedrivna uppskjutningar, vilket är rimligt inom de kommande två decennierna baserat på de senaste trenderna i rymdtrafikens tillväxt, skulle skada ozonskiktet och förändra atmosfärens cirkulationsmönster.
"Vi behöver lära oss mer om den potentiella påverkan av kolvätebrännande motorer på stratosfären och på klimatet vid jordens yta", säger huvudförfattaren Christopher Maloney, en CIRES-forskare som arbetar vid NOAA:s kemiska vetenskapslaboratorium. "Med ytterligare forskning borde vi bättre kunna förstå de relativa effekterna av olika rakettyper på klimat och ozon."
Lanseringshastigheten har tredubblats
Lanseringshastigheterna har mer än tredubblats under de senaste decennierna, sa Maloney, och accelererad tillväxt förväntas under de kommande decennierna. Raketer är den enda direkta källan till mänskligt producerade aerosolföroreningar ovanför troposfären, den lägsta regionen i atmosfären, som sträcker sig till en höjd av cirka fyra till sex miles över jordens yta.
Forskargruppen använde en klimatmodell för att simulera effekten av cirka 10 000 ton sotföroreningar som injiceras i stratosfären över norra halvklotet varje år i 50 år. För närvarande släpps uppskattningsvis 1 000 ton raketsotavgaser ut årligen. Forskarna varnar för att de exakta mängderna sot som släpps ut av de olika kolvätedrivna motorerna som används runt om i världen är dåligt förstådda.
Forskarna fann att denna aktivitetsnivå skulle öka den årliga temperaturen i stratosfären med 0,5–2° Celsius (eller cirka 1–4°Farenheit), vilket skulle förändra globala cirkulationsmönster genom att bromsa de subtropiska jetströmmarna så mycket som 3,5 %, och försvagar den stratosfäriska vältande cirkulationen.
Hur raketavgaser påverkar ozonskiktet
Stratosfäriskt ozon påverkas starkt av temperatur och atmosfärisk cirkulation, noterade medförfattaren Robert Portmann, en forskningsfysiker vid Chemical Sciences Laboratory, så det var ingen överraskning för forskargruppen att modellen fann att förändringar i stratosfärens temperaturer och vindar också orsakade förändringar i överflöd av ozon. Forskarna fann att ozonminskningar inträffade mot polen 30 grader norr, eller ungefär Houstons latitud, under nästan alla årets månader. Den maximala minskningen på 4 % inträffade vid Nordpolen i juni. Alla andra platser norr om 30° N upplevde åtminstone något minskat ozon under året. Detta rumsliga mönster av ozonförlust sammanfaller direkt med den modellerade fördelningen av svart kol och uppvärmningen i samband med det, sa Maloney.
"Sammanfattningen är projicerad ökning av raketuppskjutningar kan utsätta människor på norra halvklotet för ökad skadlig UV-strålning," sa Maloney.
Forskargruppen simulerade också två större utsläppsscenarier med 30 000 och 100 000 ton sotföroreningar per år för att bättre förstå effekterna av en extremt stor ökning av framtida rymdresor med kolvätedrivna motorer, och tydligare undersöka de återkopplingar som avgör atmosfärens reaktion . Resultaten visade att stratosfären är känslig för relativt blygsamma injektioner av svart kol. De större utsläppssimuleringarna visade på liknande, men allvarligare störningar av atmosfärisk cirkulation och klimatförlust än fallet med 10 000 ton.
Bygga en forskningsstiftelse
Studien byggde på tidigare forskning av medlemmar i författargruppen. En studie från 2010 ledd av medförfattaren Martin Ross, en forskare vid The Aerospace Corporation, undersökte först klimatpåverkan av en ökning av sotproducerande raketuppskjutningar. En andra studie utförd vid NOAA 2017, som Ross var medförfattare till, undersökte klimatets reaktion på utsläpp av vattenånga från ett föreslaget återanvändbart rymduppskjutningssystem som använder renare vätgasdrivna raketer.
"Vårt arbete betonar vikten av ozonnedbrytning orsakad av sotpartiklar som släpps ut av flytande raketer," sa Ross. "Dessa simuleringar förändrar den långvariga uppfattningen att rymdfärdens enda hot mot ozonskiktet kom från raketer med fast bränsle. Vi har visat att partiklar är där åtgärden är för rymdfartens nedslag."
Medan den nya forskningen beskriver inverkan som sot i raketavgaser har på klimatet och sammansättningen av stratosfären, sa forskarna att det representerar ett första steg i att förstå spektrumet av effekter på stratosfären från ökad rymdflygning.
Förbränningsutsläpp från de olika rakettyperna kommer att behöva utvärderas, sa de. Sot och andra partiklar som genereras av satelliter som brinner upp när de faller ut ur omloppsbana är också en växande, dåligt förstådd källa till utsläpp i den mellersta till övre atmosfären. Dessa och andra ämnen kommer att behöva ytterligare forskning för att ge en fullständig bild av rymdindustrins utsläpp och deras inverkan på jordens klimat och ozon. + Utforska vidare
