Радиоактивное загрязнение ОКП связано с широким использованием в космонавтике ядерных энергетических источников. Наиболее широко ядерные реакторы использовались на отечественных спутниках серии "Космос". Эти реакторы работали на сплавах или соединениях урана: U-238 с 90%-ным и более обогащением по U-235. Основным способом обеспечения радиационной безопасности являлась консервация ядерных энергетических установок (точнее, активной зоны) на достаточно высоких орбитах, где время жизни таких объектов много больше времени распада осколков деления остановленного ядерного реактора до безопасного уровня. К таким орбитам можно отнести все круговые орбиты, расположенные выше 700 км.
В настоящее время в ОКП на высотах 800-1000 км находится около 50 объектов с радиоактивными фрагментами. США в гораздо меньшей степени использовали ядерные энергетические установки на космических аппаратах. Всего американцами было запущено 12 таких спутников, нами - 36.
Система радиационной безопасности предусматривает остановку реактора и перевод его на достаточно высокую орбиту, где время жизни подобного объекта заведомо превышает время распада осколков деления продуктов остановленного ядерного реактора. В случае отказа системы увода ЯЭУ или космического аппарата вместе с ЯЭУ на орбиту консервации, предусмотрено диспергирование ядерного реактора. Соответствующая система включается до начала разогрева и аэродинамического разрушения конструкции ЯЭУ и космического аппарата, связанного с входом в плотные слои атмосферы. Надежность системы радиационной безопасности оценивается на уровне 10-4, что заведомо хуже принятых требований по безопасности в отраслях промышленности 10-5 — 10-6.
Работающий ядерный реактор заметно изменяет естественную фоновую картину потоков нейтронов и гамма-квантов в локальной области ОКП. Эти изменения тем заметнее, чем выше орбита. Нейтронные потоки становятся сравнимы с естественным фоном на расстояниях 100 км для низких орбит и 300 км для геостационарных орбит. Тем не менее, даже очень мощные ядерные реакторы (до 1 МВт) не могут существенно ухудшить естественное состояние радиационных поясов Земли.
Существенное нарушение радиационной обстановки в ОКП наблюдалось только после ядерных взрывов, которые проводились в шестидесятые годы. В результате наиболее мощного из них, осуществляемого в рамках американского эксперимента "Морская звезда", возникли так называемые искусственные радиационные пояса, которые по некоторым данным (в частности по наблюдениям полярных сияний) сохранялись в течение нескольких лет. Последствия ядерных взрывов для верхней атмосферы и ионосферы были весьма сокрушительны, однако об их истинных масштабах не дано судить, так как в то время еще только начинали развиваться методы зондирования этой среды. В дальнейшем любые ядерные испытания в космосе были запрещены.
Выбор орбит консервации ядерных реакторов был осуществлен в конце 60-х годов, когда уровень космического мусора был еще не слишком высок. Однако в настоящее время именно область высот 800-1000 км оказалась наиболее загрязненной, в связи с чем возникла реальная опасность разрушения ядерных реакторов в результате столкновений с фрагментами космического мусора заведомо раньше, чем произойдет распад осколков деления безопасного уровня. Расчеты показывают, что за время своего существования на орбите (примерно 200 лет.) ядерный реактор может испытать порядка 20 аварийных столкновений. Недавно (Назаренко, 1996) было показано, что одно столкновение с частицей мусора размером 0,5 см должно иметь место в среднем за 6 лет и за 26 лет с частицей размером 1 см. Последствием такого столкновения является разрушение ЯЭУ и рассеивание радиоактивного вещества в ОКП с возможным его осаждением в приземную атмосферу. Несколько лет назад американские ученые сообщили о наблюдении в ОКП радиоактивных фрагментов космического мусора, связав их появление с разрушением ядерных реакторов спутников "Космос".
Возникающее радиоактивное загрязнение может представлять опасность для работ навигационных систем, метеоспутников и систем наблюдения за природными ресурсам которые используют близкие орбиты. Таким образом, именно рост массы космического мусора, являясь причиной разрушения ЯЭУ, определяет радиоактивное загрязнение ОКП. Однако для ОКП это загрязнение не представляет особой опасности в плане изменения свойств этой среды. Главная экологически опасность связана с возможностью падения фрагментов разрушенных ЯЭУ и осаждения радиоактивных веществ в приземную атмосферу и на поверхность Земли. Подобный случай произошел в 1978 г. при аварии спутника "Космос-954", когда крупные радиоактивные осколки рассеялись на севере Канады. Специальный анализ атмосферы в разных точках планеты в июне и сентябре 1978 г. показал, что большая часть многотонной массы "Космоса-954" испарилась и была рассеяна в атмосфере Земли. В том числе и по крайней мере 37,1 кг отработавшего ядерного топлива.
Наибольшую опасность представляют выбросы радиоактивного плутония: плутония-238, который выделяет в 280 раз больше энергии, чем Рu-239, и соответственно в 280 раз более радиоактивен, чем плутоний-239. 450 г Рu-238 при его равномерном распространении достаточно, чтобы вызвать рак у всех людей, населяющих Землю. Выведение в космос 32,75 кг Рu-238 эквивалентно по опасности выведению в космос 770 кг плутония -239.
21 апреля 1964 г. навигационный спутник США "Транзит" SВМ-3 не вышел на запланированную орбиту, развалился и сгорел в атмосфере над западной частью Индийского океана к северу от Мадагаскара, выбросив 950 г плутония -238 общей активностью около 17 тыс. Ки. В результате содержание этого радионуклида в околоземном пространстве увеличилось в три раза. В мае 1965 г. содержание этого плутония на высоте 10 тыс. м в южном полушарии было в 4 раза выше. Чем в северном. К ноябрю 1970 г. в атмосфере оставалось около 5% выброшенного плутония. А анализ почв показал его присутствие на всех континентах.
В октябре 1997 г. была запущена космическая станция "Кассино" с 32,75 кг плутония -238 к Сатурну, которая пролетела в 312 милях от Земли в 1999 г. Из 41 советских (российских) космических аппаратов, использовавших ядерные энергетические установки, шесть потерпели аварии. Таким образом, надежность таких отечественных спутников не превышает 85,4 %, уровень заведомо неприемлемый, например, в авиации и во многих других областях. Этот факт лишний раз подтверждает, что космонавтика остается сферой особо рискованной деятельности, причем опасные последствия этого риска распространяются не только на прямых ее участников этой, но и на человечество в целом.
Таким образом, объекты современной и перспективной РКТ, особенно РН, являются основными и потенциально опасными, представляющими серьезную экологическую опасность вследствие значительных запасов высокоэнергетического химического топлива. РКТ оказывают негативное воздействие на приземную атмосферу как при эксплуатации, и при ликвидации и утилизации. Наличие на борту космических аппаратов ядерных источников энергии, ядерного топлива и радиоактивных материалов создает угрозу загрязнения приземной атмосферы, а также поверхности Земли при аварийных ситуациях.
Сейчас человечество оказалось перед прямой угрозой нарушения основных естественных свойств и функциональных особенностей ОКП, что чревато тяжелыми последствиями по двум основным причинам.
1. ОКП защищает все живое от губительной радиации, и
2. ОКП является важным звеном в сложной цепи солнечно-земных связей, определяющих климатические условия на Земле.
В дополнение к этим двум причинам следует также подчеркнуть, что надежная работа современной космической техники в очень высокой степени зависит от регулярных естественных вариаций поведения ОКП, нарушение которых может крайне затруднить или сделать практически невозможной работу космических аппаратов и при определенных обстоятельствах стать причиной космических аварий и катастроф.
Таким образом, центральной проблемой экологической безопасности космической деятельности является сохранение основных естественных свойств и функциональных особенностей ОКП. В аналитическом обзоре приводятся следующие основные выводы о распространении в ОКП продуктов работы ракетных двигателей:
основным продуктом, образующимся в ОКП в результате работы двигателей ракет "Протон" и "Шаттл" являются пары воды. Ракета "Протон" выбрасывает также значительное количество двуокиси углерода, а "Шаттл" — хлора и его соединении;
на высотах более 100 км молекулы воды довольно быстро разлагаются, образуя водород, количество которого даже от одной ракеты сравнимо с его глобальным естественным содержанием;
водород распространяется на расстояния в десятки тысяч километров, образуя в ОКП грибовидное облако, в котором содержание атомов Н превышает фоновое на проценты в случае полета ракеты "Протон" и на десятки процентов в случае полета ракеты "Шаттл" на 5 и 10 суток, соответственно;
при периодически повторяющихся пусках ракет "Протон" с интервалом в пять суток устанавливается стационарный глобальный избыток антропогенного водорода порядка 5—10% , при пусках ракет "Шаттл" в том же режиме избыток составляет 20—40%;
степень нарушения естественного баланса водорода в ОКП сильно зависит от гелио-геофизических условий, и она максимальна при низкой солнечной активности, особенно если пуски ракет происходят периодически и в зимней полусфере;
образующаяся в результате полетов ракеты "Протон" двуокись углерода распространяется в ОКП гораздо медленнее, чем водород, из-за большей массы и большего размера молекул, так что при регулярных пусках с периодом в пять суток размер области избыточного содержания СО не превышает 1000 км. Его распределение внутри этой области крайне неравномерно, от единиц процентов на краях до многоразового превышения фона в зоне, где проходила траектория полета ракет.