Les ingénieurs aérospatiaux du MIT ont constaté que les émissions de gaz à effet de serre modifient l'environnement de l'espace presque terrestre d'une manière qui, au fil du temps, réduira le nombre de satellites qui peuvent y fonctionner de manière durable.
Dans une étude apparaissant dans Durabilité naturelleles chercheurs rapportent que le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre peuvent provoquer le rétrécissement de l'atmosphère supérieure. Une couche atmosphérique d'intérêt particulier est la thermosphère, où la station spatiale internationale et la plupart des satellites en orbite aujourd'hui.
Lorsque la thermosphère se contracte, la densité décroissante réduit la traînée atmosphérique – une force qui entraîne des satellites anciens et autres débris à des altitudes où ils rencontreront des molécules d'air et brûlent.
Moins de traînée signifie donc des durées de vie prolongées pour les déchets spatiaux, qui jetteront des régions recherchées pendant des décennies et augmenteront le potentiel de collisions en orbite.
L'équipe a réalisé des simulations de la façon dont les émissions de carbone affectent la haute atmosphère et la dynamique orbitale, afin d'estimer la «capacité de charge satellite» de l'orbite basse. Ces simulations prédisent qu'en 2100, la capacité de charge des régions les plus populaires pourrait être réduite de 50 à 66% en raison des effets des gaz à effet de serre.
« Notre comportement avec les gaz à effet de serre ici sur Terre au cours des 100 dernières années a un effet sur la façon dont nous exploitons les satellites au cours des 100 prochaines années », explique l'auteur d'étude Richard Linares, professeur agrégé au Département d'aéronautique et d'astronautique du MIT (Aeroastro).
« La haute atmosphère est dans un état fragile car le changement climatique perturbe le statu quo », ajoute l'auteur principal William Parker, étudiant diplômé à Aeroastro.
« Dans le même temps, il y a eu une augmentation massive du nombre de satellites lancés, en particulier pour la livraison d'Internet à large bande de l'espace. Si nous ne gérons pas attentivement cette activité et que nous travaillons pour réduire nos émissions, l'espace pourrait devenir trop encombré, conduisant à plus de collisions et de débris. »
L'étude comprend le co-auteur Matthew Brown de l'Université de Birmingham.
Ciel
La thermosphère contracte et se développe naturellement tous les 11 ans en réponse au cycle d'activité régulier du soleil. Lorsque l'activité du soleil est faible, la Terre reçoit moins de rayonnement et son atmosphère la plus externe se refroidit temporairement et se contracte avant de se développer à nouveau pendant le maximum solaire.
Dans les années 1990, les scientifiques se sont demandé quelle réponse la thermosphère pourrait avoir aux gaz à effet de serre. Leur modélisation préliminaire a montré que, alors que les gaz piègent la chaleur dans l'atmosphère inférieure, où nous ressentons le réchauffement climatique et le temps, les mêmes gaz rayonnent de chaleur à des altitudes beaucoup plus élevées, refroidissant efficacement la thermosphère. Avec ce refroidissement, les chercheurs ont prédit que la thermosphère devrait rétrécir, réduisant la densité atmosphérique à haute altitude.
Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont pu mesurer les changements de traînée sur les satellites, ce qui a fourni des preuves que la thermosphère se contracte en réponse à quelque chose de plus que le cycle naturel de 11 ans du soleil.
« Le ciel tombe littéralement – juste à un rythme qui est à l'échelle des décennies », explique Parker. « Et nous pouvons voir cela par la façon dont la traînée sur nos satellites change. »
L'équipe du MIT s'est demandé comment cette réponse affecterait le nombre de satellites qui peuvent opérer en toute sécurité sur l'orbite de la Terre. Aujourd'hui, il y a plus de 10 000 satellites dérivant à travers une orbite basse, qui décrit la région de l'espace jusqu'à 1 200 miles, ou 2 000 kilomètres, de la surface de la Terre.
Ces satellites fournissent des services essentiels, notamment Internet, les communications, la navigation, les prévisions météorologiques et les services bancaires. La population satellite a fait grimper les dernières années, obligeant les opérateurs à effectuer des manœuvres régulières d'évitement des collisions pour rester en sécurité. Toutes les collisions qui se produisent peuvent générer des débris qui restent en orbite pendant des décennies ou des siècles, augmentant les chances de collisions de suivi avec des satellites, anciens et nouveaux.
« Plus de satellites ont été lancés au cours des cinq dernières années que dans les 60 années précédentes combinées », explique Parker. « L'une des choses clés que nous essayons de comprendre est de savoir si le chemin sur lequel nous sommes aujourd'hui est durable. »
Coquilles bondées
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont simulé différents scénarios d'émissions de gaz à effet de serre au cours du siècle prochain pour étudier les impacts sur la densité et la traînée atmosphériques.
Pour chaque «coquille» ou plage d'intérêt d'altitude, ils ont ensuite modélisé la dynamique orbitale et le risque de collisions satellites en fonction du nombre d'objets dans la coquille. Ils ont utilisé cette approche pour identifier la «capacité de charge» de chaque coquille – un terme qui est généralement utilisé dans les études de l'écologie pour décrire le nombre d'individus qu'un écosystème peut soutenir.
« Nous prenons cette idée de capacité de transport et la traduisons dans ce problème de durabilité de l'espace, pour comprendre combien de satellites en orbite à terre basse », explique Parker.
L'équipe a comparé plusieurs scénarios: l'un dans lequel les concentrations de gaz à effet de serre restent à leur niveau à partir de l'an 2000 et d'autres où les émissions changent, selon le panel intergouvernemental sur le changement climatique (GIEC) partageant les voies socioéconomiques (SSP). Ils ont constaté que les scénarios avec une augmentation continue des émissions conduiraient à une capacité de charge considérablement réduite tout au long de l'orbite terrestre.
En particulier, l'équipe estime qu'à la fin de ce siècle, le nombre de satellites en toute sécurité dans les altitudes de 200 et 1 000 kilomètres pourrait être réduit de 50 à 66% par rapport à un scénario dans lequel les émissions restent aux niveaux de l'année et de la année. Si la capacité des satellites est dépassée, même dans une région locale, les chercheurs prédisent que la région connaîtra une « instabilité en fuite » ou une cascade de collisions qui créeraient autant de débris que les satellites ne pourraient plus y opérer en toute sécurité.
Leurs prédictions prévoient l'année 2100, mais l'équipe dit que certains obus dans l'atmosphère aujourd'hui se sont déjà encombrés de satellites, en particulier de « mégaconstellations » récentes telles que StarLink de SpaceX, qui comprend des flottes de milliers de petits satellites Internet.
« La mégaconstellation est une nouvelle tendance, et nous montrons, en raison du changement climatique, nous allons avoir une capacité réduite en orbite », explique Linares. « Et dans les régions locales, nous sommes sur le point d'approcher cette valeur de capacité aujourd'hui. »
« Nous comptons sur l'atmosphère pour nettoyer nos débris. Et si l'atmosphère change, alors l'environnement des débris changera également », ajoute Parker. « Nous montrons que les perspectives à long terme des débris orbitales dépendent de manière critique de la réduction de nos émissions de gaz à effet de serre. »
