Signatures de l'ère spatiale : métaux des vaisseaux spatiaux laissés dans le sillage du chemin de l'humanité vers les étoiles.

16 octobre 2023

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par Brittany Steff, Purdue University

L'ère spatiale laisse des empreintes digitales dans l'une des parties les plus reculées de la planète - la stratosphère - ce qui peut avoir des implications potentielles sur le climat, la couche d'ozone et l'habitabilité continue de la Terre.

En utilisant des outils attachés à la pointe de leur avion de recherche et en échantillonnant à plus de 11 miles au-dessus de la surface de la planète, les chercheurs ont découvert d'importantes quantités de métaux dans les aérosols de l'atmosphère, probablement en raison des lancements de plus en plus fréquents et des retours de vaisseaux spatiaux et de satellites. Cette masse de métal modifie la chimie de l'atmosphère de manière à influencer l'atmosphère et la couche d'ozone de la Terre.

« Nous trouvons ce matériau d'origine humaine dans ce que nous considérons comme une zone vierge de l'atmosphère », a déclaré Dan Cziczo, l'un des membres de l'équipe de scientifiques qui ont publié une étude sur ces résultats dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. « Et si quelque chose change dans la stratosphère - cette région stable de l'atmosphère - cela mérite une attention particulière. »

Cziczo, professeur et chef du département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes au College of Science de Purdue, est un expert en sciences atmosphériques qui étudie depuis des décennies cette région raréfiée.

Sous la direction de Dan Murphy, professeur adjoint au département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes et chercheur à l'Administration nationale des océans et de l'atmosphère, l'équipe a détecté plus de 20 éléments dans des ratios qui reflètent ceux utilisés dans les alliages utilisés dans les engins spatiaux.

Ils ont découvert que la masse de lithium, d'aluminium, de cuivre et de plomb provenant de la rentrée des vaisseaux spatiaux dépassait largement celle des métaux présents dans les poussières cosmiques naturelles. Près de 10% des grosses particules d'acide sulfurique - les particules qui aident à protéger et à tamponner la couche d'ozone - contenaient de l'aluminium et d'autres métaux provenant des vaisseaux spatiaux.

Les scientifiques estiment qu'il pourrait y avoir jusqu'à 50 000 satellites supplémentaires en orbite d'ici à 2030. L'équipe calcule que cela signifie que, dans les prochaines décennies, jusqu'à la moitié des particules d'acide sulfurique stratosphériques contiendraient des métaux issus des rentrées. Les effets que cela pourrait avoir sur l'atmosphère, la couche d'ozone et la vie sur Terre restent à comprendre.

Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que les engins spatiaux et les satellites modifient l'atmosphère supérieure, mais l'étude de la stratosphère, où nous ne vivons pas et où même les vols les plus élevés n'entrent que brièvement, est difficile.

Dans le cadre du programme scientifique aéroporté de la NASA, Murphy et son équipe utilisent un avion WB-57 pour échantillonner l'atmosphère à 11,8 miles (19 km) au-dessus du sol en Alaska, où les nuages circumpolaires ont tendance à se former. Des mesures similaires ont été effectuées par Cziczo et son équipe depuis un avion ER-2 au-dessus des États-Unis continentaux. Les deux groupes utilisent des instruments attachés à la pointe de l'avion pour s'assurer de ne prélever que de l'air frais et non perturbé.

Tout comme la surface tranquille de l'océan, la stratosphère semble calme - du moins aux yeux humains. La vie et la civilisation ont lieu principalement à la surface de la planète et dans la troposphère, la couche atmosphérique la plus basse. La stratosphère est une couche de l'atmosphère étonnamment stable et apparemment sereine.

La stratosphère est également le domaine de la couche d'ozone : cette merveille gazeuse qui agit comme une tente globale pour protéger la planète et toute forme de vie contre les rayons ultraviolets ardents et brûlants. Sans la couche d'ozone, il est peu probable que la vie ait jamais pu se développer sur Terre. Et sans elle, il est peu probable que la vie puisse continuer.

Les dernières décennies ont été mouvementées pour la stratosphère. La couche d'ozone a été menacée par les chlorofluorocarbones dans les années 1980, et ce n'est que grâce aux efforts coordonnés et soutenus des gouvernements et des entreprises à l'échelle mondiale que des progrès ont commencé à être réalisés pour la réparation et le retraitement de la couche d'ozone.

« Les étoiles filantes traversent l'atmosphère », a déclaré Cziczo.

« Souvent, la météorite se consume dans l'atmosphère et ne devient même pas une météorite atteignant la planète. Ainsi, le matériau dont elle était composée reste dans l'atmosphère sous forme d'ions. Ils forment un gaz très chaud, qui commence à refroidir et à se condenser en molécules, puis à tomber dans la stratosphère. »

« Les molécules se rencontrent, s'assemblent et forment ce que nous appelons de la fumée de météorite. Les scientifiques ont récemment commencé à remarquer que l'empreinte chimique de ces particules de météorites commençait à changer, ce qui nous a poussés à nous demander : 'Qu'est-ce qui a changé ?' car la composition des météorites n'a pas changé. Mais le nombre de vaisseaux spatiaux a augmenté. »

Spacecraft launches, and returns, were once international events. The launches of Sputnik and the Mercury missions were front-page news. Now, a quickening tide of innovation and loosening regulation means that dozens of countries and corporations are able to launch satellites and spacecraft into orbit. All those satellites have to be sent up on rockets—and most of that material, eventually, comes back down.

Like the wakes of great ships trolling through the ocean, rockets leave behind them a trail of metals that may change the atmosphere in ways scientists don't yet understand.

'Just to get things into orbit, you need all this fuel and a huge body to support the payload,' Cziczo said. 'There are so many rockets going up and coming back and so many satellites falling back through the atmosphere that it's starting to show up in the stratosphere as these aerosol particles.'

Of course, shooting stars were the first space-delivery system. Meteorites fall through the atmosphere every day. The heat and friction of the atmosphere peel material off them, just as they do off human-made artifacts. However, while hundreds of meteors enter the Earth's atmosphere every day, they are increasingly being rivaled by the mass of metals that comprise the tons of Falcon, Ariane and Soyuz rockets that boost spacecraft into space and return again to Earth's surface.

'Changes to the atmosphere can be difficult to study and complex to understand,' Cziczo said. 'But what this research shows us is that the impact of human occupation and human spaceflight on the planet may be significant—perhaps more significant than we have yet imagined. Understanding our planet is one of the most urgent research priorities there is.'

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

Provided by Purdue University