Một cuộc truy đuổi kịch tính bằng máy bay đối với một vệ tinhg đang rơi đã mang lại những hiểu biết mới về quá trình cháy rực khi các vệ tinh hết hạn dùng tan rã trong khí quyển. Các phép đo này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cách ô nhiễm không khí từ vệ tinh ảnh hưởng đến bầu khí quyển Trái Đất.

Đầu tháng 9 năm ngoái, một nhóm nhà khoa học châu Âu đã lên một máy bay thuê tại Đảo Phục Sinh để theo dõi quá trình tái nhập khí quyển của Salsa, một trong bốn vệ tinh Cluster của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA). Chiếc máy bay được trang bị 26 camera để ghi lại sự kiện ngắn ngủi này ở nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau.

Kết quả đầu tiên từ chiến dịch quan sát độc đáo này được công bố đầu tháng 4 tại Hội nghị Về Rác Không gian châu Âu ở Bonn, Đức.

Sự cháy rụi của vệ tinh—một sự kiện giống sao băng kéo dài dưới 50 giây—đã diễn ra trên Thái Bình Dương ngay trước 12 giờ trưa ngày 8-9-2024 theo giờ địa phương. Ánh sáng ban ngày chói chang làm quan sát khó khăn và ngăn cản việc dùng các thiết bị mạnh hơn, vốn có thể cung cấp hình ảnh chi tiết hơn. Dẫu vậy, nhóm nghiên cứu vẫn thu thập được những hiểu biết mới về quá trình thiêu cháy vệ tinh—một hiện tượng còn rất ít người hiểu rõ và khó nghiên cứu.

“Sự kiện khá mờ nhạt, mờ hơn chúng tôi mong đợi,” Stefan Löhle, nhà nghiên cứu tại Viện Hệ thống Không gian, Đại học Stuttgart (Đức), nói với Space.com. “Chúng tôi cho rằng có thể việc tàu tan rã tạo ra các mảnh vỡ bay chậm hơn vật thể chính và phát ra bức xạ yếu hơn.”

Sau khi vệ tinh vỡ ra lần đầu ở độ cao khoảng 80 km, nhóm nghiên cứu đã ghi lại quá trình phân tách mảnh suốt khoảng 25 giây. Họ mất dấu vệt mảnh vỡ mờ dần khi ở độ cao còn khoảng 40 km. Nhờ sử dụng các bộ lọc màu sắc khác nhau, nhóm đã phát hiện sự giải phóng nhiều hợp chất hóa học trong lúc cháy rụi, cho thấy manh mối về bản chất ô nhiễm không khí sinh ra khi vệ tinh bị thiêu hủy.

“Chúng tôi phát hiện lithium, kali và nhôm,” Löhle cho biết. “Nhưng ở giai đoạn này, chúng tôi vẫn chưa biết bao nhiêu trong số đó còn lại trên bầu khí quyển dưới dạng ô nhiễm lâu dài và bao nhiêu rơi xuống Trái Đất dưới dạng các giọt nhỏ li ti.”

Việc các vệ tinh tái nhập khí quyển đang trở thành mối quan ngại ngày càng lớn đối với cộng đồng khoa học khí quyển toàn cầu. Vệ tinh làm bằng nhôm, và khi cháy chúng tạo ra oxit nhôm. Các nhà khoa học biết alumina có thể kích thích suy giảm tầng ôzôn và thay đổi khả năng phản xạ ánh sáng Mặt Trời của Trái Đất, từ đó có thể làm thay đổi cân bằng nhiệt của khí quyển.

Với sự gia tăng mạnh mẽ các lần phóng vệ tinh, ngày càng có nhiều vệ tinh rơi trở lại Trái Đất. Bất cứ sản phẩm phụ nào sinh ra trong quá trình cháy rụi ở khí quyển chắc chắn sẽ tích tụ ngày càng cao phía bên trên Trái Đất trong những năm tới. Tuy nhiên, tác động của ô nhiễm không khí từ vệ tinh hiện vẫn chưa được hiểu rõ. Độ cao mà vệ tinh tan rã quá lớn để khinh khí cầu thời tiết tiếp cận nhưng cũng quá thấp để các vệ tinh khảo sát.

Những cuộc truy đuổi bằng máy bay—như lần theo dõi vệ tinh Cluster Salsa năm ngoái—là cơ hội tốt nhất để thu thập dữ liệu chính xác về các quá trình hóa học diễn ra trong sự kiện đó. Tuy nhiên, chiến dịch như vậy rất tốn kém và khó thực hiện. Cho đến nay, chỉ có năm lần tái nhập vũ trụ được theo dõi từ trên không; các trường hợp trước bao gồm tầng tên lửa Ariane và ba tàu tiếp tế Trạm Vũ trụ Quốc tế.

“Hiện tại, các nhà nghiên cứu mô phỏng những sự kiện này còn chưa thực sự biết điều gì xảy ra trong quá trình vệ tinh vỡ tan,” Löhle nói. “Đó là câu hỏi đầu tiên chúng ta cần giải đáp. Chúng tôi muốn đảm bảo rằng không có mảnh vỡ nào rơi trúng đầu người. Sau đó, chúng ta phải tìm hiểu xem những chất này gây hại như thế nào đối với bầu khí quyển Trái Đất.”

Dữ liệu mà Löhle cùng các đồng nghiệp thu thập được gợi ý rằng các bồn nhiên liệu titan từ vệ tinh Cluster Salsa nặng 550 kg có thể đã không bị phân hủy sau khi tái nhập và rất có khả năng đã rơi xuống Thái Bình Dương. Đây là một thông tin quan trọng. Trung bình mỗi ngày có ba vệ tinh rơi trở lại Trái Đất, theo báo cáo của ESA công bố tháng trước.

Phần lớn trong số này thuộc chòm sao Starlink của SpaceX. Trong khi thế hệ đầu tiên của Starlink chỉ nặng khoảng 260 kg mỗi chiếc, biến thể “V2 mini” hiện tại đã đạt khối lượng 800 kg. Phiên bản V2 theo kế hoạch sẽ còn lớn hơn, nặng 1.250 kg. Mặc dù SpaceX khẳng định vệ tinh được thiết kế để cháy rụi hoàn toàn, trước đây công ty cũng thừa nhận đôi khi một số mảnh vỡ vẫn rơi xuống đến mặt đất.

Các nhà khoa học châu Âu vẫn tiếp tục phân tích dữ liệu và hy vọng sẽ đối chiếu kết quả quan sát với các mô hình máy tính, qua đó có thêm hiểu biết về diễn tiến của sự kiện trong quá trình vệ tinh vỡ tan và thiêu hủy tiếp theo.

“Chúng tôi đang so sánh những gì quan sát được với mô hình phân mảnh vệ tinh để hiểu xem khối lượng mất đi ở giai đoạn nào,” Jiří Šilha, CEO của Astros Solutions (Slovakia) – đơn vị phối hợp chiến dịch quan sát – cho Space.com biết. “Khi có sự khớp giữa mô hình và quan sát, chúng tôi có thể bắt đầu mô hình hoá cách kim loại nóng chảy tương tác với khí quyển.”

Löhle giải thích rằng đến nay các nhà nghiên cứu còn quá ít hiểu biết về quá trình thiêu hủy để ước tính mức độ ảnh hưởng của việc tái nhập vệ tinh lên bầu khí quyển. Vỏ nhôm của vệ tinh tan rã, tạo thành những giọt kim loại nóng chảy lớn. Một số giọt bốc hơi thành aerosol ôxít nhôm, trong khi số khác văng ra, nguội dần và cuối cùng rơi xuống mặt đất dưới dạng hạt nhôm kích thước nano đến micrô. Phần nhôm hóa thành aerosol chính là nguyên nhân gây suy giảm tầng ôzôn và các hiệu ứng khí hậu khác.

“Chúng tôi vẫn chưa có đủ dữ liệu để nói có bao nhiêu lượng nhôm trở thành aerosol,” Löhle nói. “Hy vọng rằng, vào một thời điểm nào đó, chúng tôi sẽ tái tạo quá trình phân rã để biết mỗi vụ nổ nhỏ giải phóng bao nhiêu nhôm vào tầng thượng quyển.”

Các nhà nghiên cứu hy vọng thu thập thêm dữ liệu khi ba vệ tinh “đồng đội” của Cluster Salsa — Rumba, Tango và Samba — tái nhập vào năm 2025 và 2026. Bộ tứ vệ tinh này đã bay quanh Trái Đất từ năm 2000, đo trường từ quyển và tương tác của nó với gió Mặt Trời.

Tuy nhiên, tất cả các lần tái nhập sắp tới đều diễn ra vào ban ngày, nghĩa là nhóm nghiên cứu sẽ không thể thu được số liệu phổ kế (spectroscopy) để làm sáng tỏ chi tiết các quá trình hóa học trong đám mây phân mảnh. Phổ kế tách ánh sáng đến thành các bước sóng đơn lẻ, nhưng tín hiệu từ tàu vũ trụ tái nhập quá yếu và bị ánh sáng Mặt Trời chói lóa lấn át.

Ảnh minh họa vệ tinh Cluster Salsa của ESA cháy rụi khi tái nhập khí quyển. Ảnh: ESA