從地面上看，地球的天空似乎是無限和永恆的，但從上方看，景象卻截然不同——在漆黑的虛空中，一條岌岌可危的藍色細線，這就是我們生機勃勃的世界與太空致命環境之間的一切屏障。正是在這片脆弱的廣闊空間中，科學家們現在認識到一種長期存在的危險：來自再入大氣層的衛星和其他軌道碎片造成的汙染。一項新的研究表明，這種新出現的威脅可能會破壞地球保護性臭氧層微妙的平衡。
如果不進行昂貴的定期再加速，所有低地球軌道衛星都註定要面臨一場火熱的命運——逐漸降低高度，直到它們在大氣層稀薄的外層燃燒殆盡並解體。自太空時代開始以來，這一過程一直被認為是清除地球軌道垃圾的一種簡單且無後果的方式。然而，現在，一項新的研究受到衛星再入數量激增的啟發，估計2016年至2022年間，來自衛星的空氣傳播氧化鋁汙染增加了八倍。更令人震驚的是，該研究表明，這種累積的碎片會破壞我們的大氣臭氧保護層。“我們不應該馬上妄下結論，”該研究的主要作者、南加州大學研究員何塞·費雷拉說，“但這些數字非常令人擔憂。” 該研究發表在6月刊的《地球物理研究快報》上。
地球破碎的盾牌
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臭氧是一種由三個氧原子組成的高活性化合物，是地球大氣層最關鍵的組成部分之一。緊密的鍵將分子的氧原子結合在一起，使平流層中的臭氧層能夠吸收來自太空的大部分有害紫外線（UV）輻射，防止其到達地球表面。然而，臭氧也容易受到人類活動的影響而降解。在20世紀70年代，科學家們發現家用產品中的氯氟烴（CFCs）正在臭氧層上“蛀出一個洞”，嚴重削弱了其保護作用。
儘管目前修復臭氧層空洞的努力已顯示出顯著成效，但一組新的汙染物可能會逆轉這種恢復。在去年十月發表的一項研究中，科學家們發現平流層中積累了異常高量的汽化金屬，如鋁、銅和鋰——這種異常現象歸因於火箭發射和衛星再入大氣層。“我們知道衛星再入大氣層，升溫，汽化——[並且]這些金屬不知何故進入了平流層，”該研究的作者之一、航空航天公司的大氣科學家和高階專案工程師馬丁·羅斯說。他補充說，需要更全面地瞭解汙染的潛在程度——從汽化到沉降到平流層。
在等離子風洞測試中，一個笨重的衛星元件融化和解體的延時檢視。
ESA/DLR
不斷激增的衛星數量似乎只會加劇平流層金屬含量飆升的水平。已有超過8000顆衛星位於低地球軌道，並且計劃再發射數萬顆，其中大部分是以所謂的巨型星座的形式存在，例如SpaceX的星鏈，這是一個提供全球寬頻網際網路接入的衛星系統。星鏈和其他巨型星座依賴於規模經濟；它們龐大的衛星群不斷用新衛星更新，以取代在大氣層中燒燬的舊衛星。結果是火箭發射和航天器再入大氣層的次數急劇增加。“人們普遍認為，在大氣層中燃燒的東西會消失，但當然，質量永遠不會消失，”加拿大全球政治和國際法研究主席、外太空研究所聯合主任邁克爾·拜爾斯說。
受到去年在平流層中顯著檢測到金屬的啟發，費雷拉和他的同事研究了每顆衛星可能貢獻金屬汙染物的程度。他們的研究模擬了進入的衛星與中間層（或大氣層的中間層，位於平流層之上）中的氧原子之間的相互作用。研究發現，墜落衛星的閃熱鋁會迅速腐蝕，與氧氣反應形成氧化鋁。事實證明，這對平流層臭氧來說可能是一個非常壞的訊息。
在足夠的濃度下，氧化鋁很容易催化臭氧與氯氣的破壞性反應，從而分裂臭氧分子並削弱地球的紫外線防護罩。此外，由於氧化鋁在此過程中保持完整，它可以繼續與臭氧反應。該化合物的永續性意味著即使是少量也可能對臭氧層造成重大的長期影響。費雷拉和他的合著者將他們的研究結果放大到當前的巨型星座和公開的未來擴張計劃，估計僅在2022年，衛星就向地球中間層排放了17公噸的氧化鋁。令人不寒而慄的是，如果巨型星座的快速計劃擴張繼續下去，這種湧入量將上升到每年約360公噸的氧化鋁。該研究還模擬了氧化鋁的大氣動力學，表明這些顆粒可能需要長達30年的時間才能漂移到平流層，從而對臭氧層造成嚴重破壞。“雖然[汙染物]在大氣中積累，但這是我們正在失去的時間。當我們看到結果時，可能為時已晚，”費雷拉說。
防禦措施
瞭解墜落的空間碎片如何攻擊臭氧層只是戰鬥的一部分。如果獨立研究證實這些發現，那麼下一個關鍵挑戰將是制定對策來抵消這些影響。
20世紀70年代臭氧層空洞的發現促成了隨後十年的《蒙特利爾議定書》，這是一項國際條約，促使全球領導人在20世紀80年代成功地解決了CFC問題。但是，如果將其應用於來自再入大氣層衛星的汙染，而不是來自冰箱和髮膠罐的汙染，這種國際條約似乎不太像是解決問題的典範，而更像是對我們當前監管框架中漏洞的嚴厲指責。《蒙特利爾議定書》表明，透過全球協調，複雜的環境問題是可以管理的。然而，現有的軌道活動規則和限制似乎為任何簡單的解決方案提供了糟糕的、相互衝突的前景。例如，美國聯邦通訊委員會規定，在美國，低地球軌道衛星必須在任務完成後五年內脫離軌道。這些法規的主要目的是防止軌道過度擁擠，但它們未能考慮到潛在的大氣影響。“這是一個有趣的悖論，”費雷拉說。“我們需要清理軌道環境，但我們不知道這對大氣層造成的代價是什麼。”
航空航天公司空間政策與戰略中心繫統主管布萊恩·韋登補充說：“當前的監管框架並非為此類事情而建立。沒有一個複選框說，‘還要看看這是否對高層大氣產生影響’，因為這不是任何人都在考慮的問題。” 然而，衛星發射仍在繼續，隨著我們逐漸瞭解更多關於這個過程的資訊，“它一直在成為一個更大的問題，”羅斯說。“我們就像盲人一樣，一直在路上開車。”
費雷拉和他的同事們的工作揭露了越來越多的無形太空汙染物正在威脅著我們的大氣保護層。但預測大氣動力學是一個問題，預測全球反應可能是一個更大的問題。“我希望這次我們可以比應對氣候變化時更快、更聰明，”德國不倫瑞克工業大學地球物理學和地外物理研究所的研究員倫納德·舒爾茨補充說。“我們可以迅速對[這個問題]採取行動，我們必須共同努力。”