Разве космический мусор не должен упасть на Землю сам по себе? Например, через сколько времени кусок мусора размером около 1 см на НОО упадет обратно на Землю сам по себе?

Это зависит от высоты. Вот диаграмма от ESA и UNOOSA. В принципе, все, что меньше 500 км, упадет относительно быстро, может быть, за 25 лет. Все, что меньше 800 км, должно приходиться на столетие или около того. 1200 км упадут почти за 2000 лет, а все, что выше, упадет ОЧЕНЬ долго.

Космический мусор представляет реальную опасность для космических аппаратов на НОО. Согласно Техническому отчету о космическом мусоре Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях (таблица 5), спутник на орбите может столкнуться с небольшим фрагментом мусора каждые несколько десятилетий:

Технический доклад о космическом мусоре Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных целях

Таблица 5. Среднее время между ударами о спутник с площадью поперечного сечения 10 квадратных метров

Высота круговой орбиты	Предметы 0,1–1,0 см	Объекты 1–10 > см	Объекты > 10 см
500 км	10–100 лет	3500–7000 лет	150 000 лет
1000 км	3-30 лет	700-1400 лет	20000 лет
1500 км	7-70 лет	1000-2000 лет	30 000 лет

По данным НАСА https://www.nasa.gov/news/debris_faq.html ,

«Чем выше высота, тем дольше орбитальный мусор обычно остается на околоземной орбите.

• Обломки, оставленные на орбитах ниже 370 миль (600 км), обычно падают на Землю в течение нескольких лет.
• На высотах 500 миль (800 км) время затухания орбиты часто измеряется десятилетиями.
• Выше 620 миль (1000 км) орбитальный мусор обычно продолжает вращаться вокруг Земли в течение столетия или более».

Время ухода с орбиты зависит от большого количества переменных:

• Размер
• Коэффициент сопротивления
• Плотность сечения
• Высота
• Космическая погода https://en.wikipedia.org/wiki/Space_weather#Spacecraft_orbit_changes

Поскольку пик концентрации космического мусора приходится на высоту 1000 км, потребуются многие десятилетия для самопроизвольного уменьшения мусора сантиметрового размера и столетия или тысячелетия для более крупных кусков.

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris#Самоудаление

В вашем вопросе не учитываются две довольно важные переменные, чтобы дать точные ответы. Вы дали нам размер, но не плотность или форму. Поскольку орбитальный распад связан с потерей потенциальной энергии объектов на орбите, а их потенциальная энергия зависит от их массы, скорость потери энергии будет связана с их формой.

Для более подробного пошагового объяснения вы можете прочитать математику объяснения Википедии здесь ( https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_decay ), это на самом деле довольно хорошее объяснение, которое позволяет избежать слишком глубокого проникновения в сорняки.

Это довольно абстрактный материал, говорящий о безразмерных величинах и тому подобном, но становится намного более очевидным, что происходит, когда вы фокусируетесь только на том, чем вызвано аэродинамическое сопротивление. Атмосферное сопротивление объекта, независимо от скорости и даже для тонких струй молекулярных газов на высоте более 400 км, определяется баллистическим коэффициентом ( https://en.wikipedia.org/wiki/Ballistic_coefficient ) , который можно понять. как ((насколько плотен объект * какова длина объекта) / специальный поправочный коэффициент для формы объекта).

Итак, давайте перейдем к тому, как это влияет на ваш вопрос. Вы спрашивали об обломках размером 1 см. Самый простой способ показать, как это влияет, вероятно, показать небольшую таблицу для сравнения. Используя среднюю плотность из Википедии и базовые значения коэффициента лобового сопротивления https://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient , можно получить приблизительные баллистические коэффициенты для различных гипотетических обломков размером около 1 см.

Это очень грубые цифры. Но вы можете видеть, насколько велик диапазон в зависимости от плотности материалов, когда вы смотрите на плоский квадрат, и насколько велика разница между легкой майларовой изоляцией и сталью, а также насколько просто меняется форма стальных обломков в последние несколько строк от нашего квадрата к сфере, кубу, а затем к нашему гипотетическому куску сломанного болта. Изменение формы имеет большую разницу в окончательном баллистическом коэффициенте, и это определяет, насколько быстро наш объект потеряет свою кинетическую энергию и, следовательно, насколько быстро будет уменьшаться его орбита. Когда вы посмотрите, как это вписывается в математику орбитального распада, вы увидите, что этот параметр означает, что для заданного размера обломков, 1 см в случае вашего вопроса, не зная, из чего он сделан, и не имея лучшего представления о форме, ты можешь' Аналитически заранее предсказать, сколько времени потребуется для распада. Когда вы добавляете дополнительный фактор того, насколько отличается масса между тонким плоским куском сломанного листа по сравнению с чем-то вроде куба, сферы или цилиндра, это еще больше увеличивает диапазон, на который вы смотрите.

Когда люди говорят о приблизительном времени распада вещей, они часто просто смотрят на статистические средние времена распада в реальном мире. Одним из лучших примеров являются кубсаты, которые, поскольку они имеют известную форму и все вписываются в довольно общую общую массу, могут быть довольно хорошо аппроксимированы. как https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/641/1/012026/pdfНо случайный космический мусор не имеет однородной формы, и его материал, как правило, не очень хорошо известен для мельчайших кусочков, поэтому люди просто возвращаются к тому, чтобы брать информацию об отслеживании, которая у нас есть, и строить статистические приближения, которые можно использовать в качестве наилучшего предположения, что приводит к приближениям. как тот, который был выпущен UNOOSA, на который ссылается один из других ответов здесь https://space.stackexchange.com/a/55995/19695