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A Lagrangian approach for quantifying the impact of space debris on the atmosphere
Francesca Carmela Papatola
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorology and Climate Science
Betreuer*in
Andreas Stohl
Mitbetreuer*in
Marina Dütsch
DOI
10.25365/thesis.81437
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29467.45069.713422-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Aufgrund der zunehmenden Aktivität im Weltraumsektor steigt die Zahl der in die Atmosphäre wieder eintretenden, menschengemachten Objekte seit dem Jahr 2020 stetig an. Insbesondere, seitdem in Aerosolmessungen in der Arktis Metalle aus Raumfahrzeugen nachgewiesen werden konnten, hat dieses Thema an Aufmerksamkeit gewonnen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Quantifizierung der Auswirkungen von Emissionen wiedereintretender Raumfahrzeuge auf die Atmosphäre unter Verwendung eines Lagrange‘schen Partikeldispersionsmodells. Aluminiumoxid- und Stickoxidemissionen werden aufgrund ihrer Auswirkungen auf den Ozonabbau, die Wolkenkeimbildung und den Strahlungsantrieb untersucht. Von Interesse ist ihre atmosphärische Lebensdauer, zonale und vertikale Ausbreitung sowie der Einfluss von Partikelgröße und Wiedereintrittsort auf diese Prozesse. Auf der Grundlage der Wiedereintrittsaktivitäten der Jahre 2021 bis 2025 wird ein statistisch repräsentatives Wiedereintrittsinventar für ein Jahr erstellt. Die Ausbreitung dieser Emissionen in der Atmosphäre wird anschließend über einen Zeitraum von sechs Jahren simuliert. Es werden die Wiedereintrittsbahnen einzelner Satelliten simuliert, entlang derer die Emissionen für jedes Wiedereintrittsobjekt im Höhenbereich von 90 bis 20 km bestimmt werden. Zur Bewertung des Einflusses des angenommenen Durchmessers der Aluminiumoxidpartikel auf das Transport- und Ablagerungsmuster wird eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Partikel mit einem Durchmesser von 100 nm, 50 nm und kleiner als 1 nm werden zusammen mit NOx-Emissionen modelliert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Transport stark von der Brewer-Dobson-Zirkulation beeinflusst wird, was zu hohen Massenmischungsverhältnissen in der polaren Stratosphäre führt. Aluminiumoxidpartikel weisen mit 1,5 Jahren eine kürzere atmosphärische Lebensdauer auf als NOx mit etwa 2 Jahren. Es zeigt sich, dass in späteren Modelljahren Partikel mit kleinerem Durchmesser zu höheren Massenmischungsverhältnissen führen als Partikel mit größerem Durchmesser. Während des Transports entwickeln sich in den Emissionsfeldern filamentartige Strukturen und starke Gradienten. Dies deutet darauf hin, dass eine Lagrange-Modellierung das Verständnis der Transportwege und Strukturen von Emissionen wiedereintretender Raumfahrzeuge verbessern kann.
Abstract
(Englisch)
Due to the growing activities in the space sector the number of reentering human-made objects into the atmosphere has seen an increase since the year 2020. Especially since metals from spacecraft were found in Arctic aerosol measurements, this topic has gained attention. This work focuses on quantifying the impact of space debris emissions on the atmosphere, by employing a Lagrangian particle dispersion model. Alumina and nitrogen oxides emissions are studied due to their impact on ozone depletion, cloud nucleation, and radiative forcing. It is of interest to quantify their atmospheric lifetimes, zonal and vertical dispersion, as well as the influence of particle size and reentry location on these processes. A statistically representative, one-year reentry inventory is created based on the reentry activities of the years 2021 to 2025. The dispersion of these emissions in the atmosphere is then simulated for a 6-year time horizon. The reentry trajectories of individual satellites are simulated, along which emissions are determined for each reentry object over the altitude range from 90 to 20 km. A sensitivity study is performed to evaluate the impact of the assumed diameter of the alumina particles on the transport and deposition pattern. Particles with a diameter of 100 nm, 50 nm, and smaller than 1 nm are modelled, along with NOx emissions. Results indicate that the transport is highly influenced by the Brewer-Dobson circulation, leading to high mass mixing ratios in the polar stratosphere. Alumina particles show a shorter atmospheric lifetime of 1.5 years than NOx with about 2 years. It is found that, in later model years, smaller particle diameters lead to higher mass mixing ratios than larger particle diameters. During transport, filamentous structures and sharp gradients develop in the emission fields. This indicates that a Lagrangian modelling approach can improve the understanding of transport pathways and structures of space-debris emissions.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Transportmodellierung FLEXPART Weltraummüll
Schlagwörter
(Englisch)
Transport modelling FLEXPART Space debris
Autor*innen
Francesca Carmela Papatola
Haupttitel (Englisch)
A Lagrangian approach for quantifying the impact of space debris on the atmosphere
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
ix, 55 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andreas Stohl
AC Nummer
AC17915350
Utheses ID
81373
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |