我们应该对废弃卫星产生的有毒化学物质有多担心？

想到污染，你的脑海中可能会浮现冒烟的烟囱、汽车尾气以及海滩上看到的下水道流出的图像。人们可能不会想到中间层，这是一片远高于任何飞机飞行高度的天空。然而，越来越多的科学家齐声发出警报，称这里可能会出现令人担忧的新型污染。

目前有超过 15,000 颗卫星在我们的星球上运行，几乎所有卫星都注定要脱离轨道，这是一种委婉的说法，它们将在大气层中燃烧殆尽。在此过程中，它们会释放出金属、烟灰和活性化学物质云，这些物质可能会产生令人担忧的影响，包括破坏我们的保护性臭氧层。 “这就像一个小型地球工程实验，”大气化学家 Eloise Marais 说 在伦敦大学学院。

很少有科学家认为这会造成严重危害。问题是，随着卫星数量持续飙升，这种情况很快就会发生。这就是为什么研究人员现在急于解决这个问题，并弄清楚这种新污染到底由什么组成，它会产生什么影响，以及我们可以采取什么措施。

在过去十年左右的时间里，由于可重复使用火箭的兴起，卫星设计已经小型化，发射成本也大幅下降。这两个因素导致了大量卫星的发射（见下图）。其中最重要的是星链巨型星座，目前由约 8000 颗卫星组成，用于提供宽带互联网。这些物体位于近地轨道，其中许多位于大约 550 公里的高度。

卫星数量预计将继续快速增长。亚马逊正在开发 Starlink 的竞争对手，名为 Project Kuiper目前拥有约100颗卫星，并批准发射总共约3000颗。中国也在做同样的事情，计划将其名为“国网”的版本增加到 13,000 颗卫星。把所有的计划加起来，近地轨道似乎很快就会变得更加拥挤。一些估计表明那里可能还有 70,000 颗卫星 到2030年。

为什么这会造成问题？这些卫星的使用寿命通常只有五年左右，部分原因是它们的设计目的是携带有限的燃料，而这些燃料是它们保持在高空所需的，部分原因是运营商希望用更新、更强大的技术不断升级其卫星群。为了防止旧卫星在近地空间杂乱，冒着碰撞的风险，他们将它们引导到大气层中燃烧。

目前，我们谈论的不是大量材料。据欧洲航天局称，大约三颗旧卫星 或火箭级每天都会在大气层中消失。天体物理学家乔纳森·麦克道尔 马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理中心负责跟踪卫星发射和重返大气层，他说他估计每年大约有 900 吨空间碎片可能在高层大气中蒸发。这相当于流星体自然注入质量的 5% 左右。

卫星污染

这听起来可能并不令人不安，但研究人员担心卫星留下的人造材料混合物。其中一个大问题是铝，它占普通卫星的五分之二。当在空气中燃烧时，铝会转化为氧化铝，通常称为氧化铝。多年来我们都知道，大气中的氧化铝颗粒会与臭氧发生反应并消耗臭氧，臭氧是一种以吸收太阳紫外线辐射而闻名的气体，否则会对生命有害。 20 世纪 90 年代，研究人员发现航天飞机发射中使用的固体火箭助推器释放的氧化铝造成了微型、暂时的臭氧空洞 每次火箭通过后几分钟就会到达平流层。最重要的是，氧化铝具有反射性，因此会影响大气温度。我们知道，大约 10% 的气溶胶颗粒 平流层中含有铝和卫星和火箭级燃烧产生的其他金属。

卫星离轨还会产生黑碳或烟灰，它们直接吸收阳光，从而使大气变暖。诚然，地面工业产生的烟尘比卫星污染多得多，但有一个复杂的情况可能会使后者的破坏性更大。卫星通常在海拔 50 至 80 公里的中间层燃烧殆尽。据认为，注入此处的颗粒物可能会停留在循环中，逐渐通过大气过滤多年，具体取决于其大小和成分。

当它们缓慢降落到地球时，它们会穿过平流层，地球上大部分的保护性臭氧都位于平流层，可能会引发臭氧消耗。 “雨水很快就能净化低层大气，”马莱说，“但在那里，它更有利于积聚。” 2022 年的一项研究 她和她的同事领导的研究小组估计，由于燃烧最常见类型的火箭燃料的火箭在高空释放的烟灰在大气中的寿命很长，其变暖程度可能是汽车或客机排放的烟灰的500倍。 新科学家 联系了亚马逊和星链，询问他们对卫星污染的总体看法。星链没有回应，亚马逊也没有发表评论。

航天部门排放清单表明，2020 年之前，大气中的金属和烟尘污染水平增长了约 6% 根据康纳·巴克 (Conor Barker) 的说法，每年是玛莱在伦敦大学学院的一位同事。但最近的数据 揭示这种类型的污染现在增长速度是原来的三倍多。这可能会对地球环境产生巨大的影响。 “每年，我们都看到这些排放量越来越大，”巴克说。 “特别是自 2020 年以来，增长速度相当陡峭，而且随着我们看到更多的卫星发射和脱离轨道，以及更大的火箭将更多的污染物泵入高层大气，这种增长速度会越来越快。”

其他研究人员正在将注意力转向模拟这些污染物可能对地球气候产生的大规模影响。今年早些时候，克里斯托弗·马洛尼 (Christopher Maloney) 领导的一个研究小组 科罗拉多大学博尔德分校的科学家使用计算机模拟来模拟，如果轨道上的短寿命卫星数量超过 60,000 颗，将会发生什么情况——远远超出了现有预测的范围。研究人员发现，大气中氧化铝浓度相应上升 中间层将变暖1.5°C，南半球极地涡旋的高层风速也会降低10%。

马洛尼强调，这些结果不应被视为硬性预测。 “尽管我们在模拟中使用了氧化铝，但对于我们将获得什么类型的铝产品甚至没有达成普遍共识，”他说。其他可能性包括一氧化铝和氢氧化铝，它们可能比消耗臭氧层的氧化铝危害更小。但他的团队的结果确实表明，卫星污染有可能对大气动态产生可测量的影响。

大气化学家约翰·普莱恩 英国利兹大学的教授表示，现有对航天工业增长的预测表明，焚烧的太空垃圾数量在未来十年内很容易增加 50 倍。科学家们只有几年的时间来解决这个问题。 “这些过程需要在实验室中进行探索，以便我们拥有必要的理化数据来正确模拟它们，”他说。

风洞研究

Stefan Löhle 正是这样做的人之一德国斯图加特大学等离子风洞实验室的负责人。 20 年来，他和他的团队一直使用风洞来确保航天器在重返大气层时能够幸存。但最近他们把兴趣转向了故意设计用于火死的卫星，以努力正确理解解体的物理过程。

Löhle 和他的同事使用 5 米长的风洞，在等离子体流中熔化铝块，模拟卫星在 60-80 公里高度重返大气层时的炽热条件。他们将隧道中的碎片发出的光与从地球和近年来进行的一些飞机观测活动获得的真实卫星破裂的光谱测量结果进行了比较。然后，他们调整隧道中的条件，直到模拟光谱与真实情况相符，然后详细分析发生的情况。

尽管人类在太空中燃烧物质已有近 70 年的历史，但迄今为止，从地球和飞机上进行的卫星再入观测对这一燃烧过程的了解还很少。 Löhle 表示，卫星的消亡从距地球 120 公里处开始，大部分在距地球 50 公里处结束。 “铝结构会熔化并形成液滴。但并非所有这些液滴都会完全蒸发成氧化铝。其中一些可能会凝结成纳米或微米大小的固体颗粒，然后飘到地面上，不会造成伤害。”

这项研究的目标是了解这些颗粒的确切性质、它们的形状、大小以及随后与大气的相互作用。反过来，这将为巴克、马莱或马洛尼等建模者的工作提供信息，他们将为气候影响研究提供更准确的投入。

太空循环经济

勒尔的工作还有助于为卫星污染问题提供一种可能的解决方案。原则上，简单地改变卫星离轨时的轨道就可以改变它所经历的空气阻力以及它的燃烧方式，从而有可能减少留下的物质的数量和成分。勒勒和他的团队接下来的步骤之一将是尝试修改风洞中的条件，以模拟各种再入轨迹并研究会发生什么。航天专家 Minkwan Kim 表示，此类研究可以为优化重返过程铺平道路 在英国南安普顿大学，即使最佳策略尚不清楚。 “浅层再入可能会减少金属氧化物的形成，并产生更多的金属蒸气和气溶胶，”他说。另一方面，它们往往会增加氮氧化物的产生，氮氧化物与氧化铝一样会消耗臭氧。

还有很多其他的想法。其中包括一种新型极低轨道卫星，由呼吸大气电力推进装置提供动力。这是一个早期阶段的设计，但原则上，此类卫星将能够在高空停留很长时间，利用空气中的气体为其提供动力，这意味着所需的离轨次数会少得多。一家位于英国雷丁的初创公司，名为 New Orbit 正在沿着这些路线开发卫星。

我们可能需要更进一步，摆脱一次性卫星的模式，转向太空循环经济。这个想法是对卫星进行维修、升级、加油，甚至最终在轨道上回收。欧洲航天局已经在讨论这个想法 并致力于一项名为 RISE 的使命，旨在展示与地球静止卫星对接和控制轨道的能力。这些轨道比正在快速增长的卫星星座高得多，但这可能是在轨加油的第一步。有人猜测中国已经尝试为卫星进行在轨加油。

卫星污染可能尚未成为严重威胁，但对于 Löhle 来说，企业不能将这一担忧放在次要地位。 “这有点像，‘我们稍后再考虑这个问题’，”他说。 “但现在已经是以后了。我们放入大气层的物质可能会产生重大影响。然而，我们几乎不了解卫星碎片是如何运作的。”