ロケット再突入による汚染、オゾン層と大気に影響

ロケット再突入による汚染は、リチウム原子、金属の破片、およびエアロゾルを中間圏と熱圏下部にもたらし、オゾン層を破壊し、地球の熱収支を変化させる可能性がある。2026年2月に発表された画期的な研究は、2025年に検出された大規模なリチウムのプルーム（煙筋）が、SpaceX Falcon 9ロケットステージの制御不能な再突入に直接起因することを明らかにした。この出来事は、上層大気の希薄な空気の中で崩壊する宇宙機器が残した正確な化学的「足跡（フットプリント）」を科学者が測定することに初めて成功した事例となる。

ロケット再突入による汚染が環境に与える影響とは？

ロケットの再突入は、リチウム原子、金属、その他の汚染物質を中間圏に放出し、SpaceX Falcon 9の事例で観察されたように、リチウム濃度を10倍に増加させる。これらの排出物はオゾン層を損傷し、熱収支を変化させ、上層大気を温暖化させるエアロゾルを形成する可能性がある。これら非天然の化学物質の長期的な蓄積は、大気科学者にとっての大きな懸念事項となっている。

宇宙機器の崩壊は、物体が地上に到達する前に気化するため、以前は比較的「クリーンな」プロセスであると考えられていた。しかし、Leibniz Institute of Atmospheric Physicsの研究者たちは、この気化が単にロケットの質量を上層大気に再分配しているに過ぎないことを発見した。この金属蒸気の突然の注入は、海抜約50〜85キロメートルに位置する中間圏と、120キロメートルに達する熱圏下部の繊細な化学平衡を乱す可能性がある。自然界の流星塵とは異なり、これら人為的な投入物は局所的に集中しており、発生頻度も増加している。

LIDAR技術はどのように大気汚染を検出するのか？

LIDAR技術は、高周波レーザーパルスを空に向かって照射し、特定の原子種から跳ね返ってくる光を測定することで大気汚染を検出する。研究者らはこれらの共鳴信号を使用して、高度100kmにおけるリチウムのプルームを特定し、その汚染を特定のSpaceX Falcon 9の再突入イベントまで遡って追跡した。この地上ベースの手法により、化学変化をリアルタイムで精密に監視することが可能になる。

研究者のRobin Wing率いるチームは、ドイツ北部にある高度なLIDAR（光検出・測距）システムを利用し、2025年2月20日00:20 UTCの直後に空をスキャンした。チームは、その日の夜に記録された通常の基準値の10倍に達するリチウム原子濃度の顕著な上昇を観察した。この特定のリチウム層は、装置の視界内に約27分間にわたって留まり、チームはプルームの垂直方向の広がりと密度に関する高解像度データを収集することができた。これらの測定値と大気風モデルを組み合わせることで、汚染源が20時間前に大西洋上に再突入したSpaceX Falcon 9のステージであることを裏付けた。

衛星打ち上げの増加は上層大気の汚染を悪化させるか？

今後10年間で数千もの運用終了した物体が軌道を離脱する予定であるため、衛星打ち上げの増加は上層大気の汚染を悪化させる可能性が高い。予測によると、2030年までにリチウム、アルミニウム、および煤の累積的な放出がオゾン層の回復を遅らせ、気候相互作用に影響を与える可能性がある。現在の宇宙交通の成長は、上層大気への化学物質排出に関する包括的な規制がないまま進んでいる。

現代の宇宙機において、従来のアルミニウム主体の破片からより複雑な金属合金への移行が進んでいることが、環境への見通しを複雑にしている。リチウムはハイテク航空宇宙部品にますます一般的に使用されるようになっており、その検出は、他の目に見えにくい汚染物質に対する「炭鉱のカナリア」としての役割を果たしている。軌道上の物体の数と打ち上げ頻度が増えるにつれ、大気圏に再突入する物質の総質量も比例して増加する。この傾向は、上層大気への人為的な「負荷」が間もなく流星による自然な投入量を超える可能性を示唆しており、宇宙の持続可能性（space sustainability）についての緊急の問いを投げかけている。

大気アブレーションのプロセス

アブレーション（溶除）は、再突入時に固体のロケット部品が大気中のガスに変換される主要なメカニズムである。SpaceX Falcon 9のステージが上層大気のますます濃くなる空気の中を降下する際、極度の摩擦によって金属構造を気化させるほどの高温が発生した。このプロセスにより、固体のリチウムやその他の合金は、原子やイオンの微細な霧へと変化する。これらの物質の一部は最終的に沈降する可能性があるが、多くは長期間にわたって中間圏に浮遊し続け、そこで大気の熱構造に影響を与える複雑な触媒反応に関与する可能性がある。

• リチウム：熱圏における自然発生が少ないため、トレーサー（追跡子）として使用される。
• アルミニウム：宇宙ゴミの中で最も一般的な金属であり、太陽光を反射するアルミナ粒子を形成することが知られている。
• 煤（ブラックカーボン）：ロケットエンジンや再突入時の加熱から放出され、局所的な温暖化に寄与する。

今後の研究と国際基準

科学者たちは現在、成長する宇宙産業の化学的足跡を追跡するためのグローバルな監視ネットワークの必要性を強調している。2025年の検出は成功したケーススタディであったが、Robin Wingとその同僚らは、多くの物質が急速な化学変化を起こし、現在のLIDAR技術では「見えない」状態になることを指摘している。これは、現在の測定値が汚染全体のごく一部しか示していない可能性があることを意味する。今後の取り組みでは、地球の保護層に対する長期的なリスクを完全に評価するために、衛星による観測と高度な大気化学モデリングの組み合わせが必要となるだろう。

Leibniz Instituteの研究は、宇宙機関とSpaceXのような民間企業の両方に対する重要な行動喚起となっている。「メガコンステレーション」や毎週の軌道打ち上げが行われる未来に向かうにつれ、環境への影響という定義は地球の表面を越えて拡大されなければならない。中間圏の完全性を維持することは、大気科学の不可欠な要素となりつつあり、私たちの星への到達が、私たちを支える空気そのものを犠牲にしてはならないことを示している。