從漂浮在最深海溝中的一次性塑膠袋，到最高山峰上佈滿微塑膠的降雪，人類留下的混亂痕跡遍佈地球——每一種汙染物都帶來潛在的環境危害，而這些危害仍然知之甚少。現在，科學家們又發現了一種需要擔憂的汙染物：來自燒燬太空垃圾的汽化金屬，它們漂浮在地球的同溫層中，而同溫層正是地球脆弱的保護性臭氧層的所在地。
在三月和四月期間，研究人員在美國阿拉斯加和中西部地區進行了一系列高空研究飛行，使用專門的質譜儀對同溫層空氣進行了取樣。他們發現，許多火箭和衛星常用的金屬含量驚人地高，其比例通常與特定高效能航空航天合金中的比例相似。調查顯示，這些金屬正在硫酸顆粒中積聚，而硫酸顆粒構成了同溫層的大部分微粒，並影響著我們世界的臭氧層和氣候。
儘管只有約 10% 的取樣硫酸顆粒含有來自航天器的金屬，但研究人員預測，由於發射和衛星數量的激增，這一數值在未來幾十年可能會增長到 50% 或更高。這項工作由美國國家海洋和大氣管理局贊助，一篇報告研究結果的論文於 10 月 16 日發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA) 上。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
在某些方面，這一切都不出所料。自從太空時代曙光出現以來，科學家們就已經瞭解到，大氣層再入的熱量會汽化火箭級、廢棄衛星和其他墜落的航天器碎片。來自這種人為來源物質的氣溶膠金屬，加上估計每天有 50 至 100 噸太空塵埃落入大氣層，共同構成了大氣中的金屬來源。但只是在最近幾年——過去幾年裡——墜落太空垃圾的貢獻才開始與這種自然背景相匹敵，甚至在某些情況下可能超過後者。來自 NOAA 飛行的的資料表明，現在在同溫層中發現的大部分鋁、銅和鋰都來自太空垃圾。
總而言之，NOAA 的飛行發現了來自航天器和衛星再入的 20 多種不同的元素，包括銀、鐵、鉛、鎂、鈦、鈹、鉻、鎳和鋅。
毋庸置疑的聯絡
美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 化學科學實驗室位於科羅拉多州博爾德市的研究化學家、該研究的主要作者丹尼爾·墨菲說，迄今為止，大多數關於再入太空垃圾的模型都集中在是否有任何碎片能夠持續存在並威脅到地面上的旁觀者。
早期的研究人員“沒有過多考慮在再入過程中汽化的物質會發生什麼。當然，它們不會消失。它們肯定會去某個地方，”墨菲說。“現在透過這些測量，我們知道它們去了哪裡。它們進入了同溫層中的顆粒物。”
普渡大學大氣科學家、研究合著者丹尼爾·齊科佐表示，金屬與航天器再入之間存在著無可辯駁的聯絡。研究結果無法用火箭發射造成的汙染或飛機飛過同溫層來解釋，因為後者產生的顆粒物尺寸和化學特徵截然不同。它們也不能歸因於地面工業過程，如金屬冶煉，因為這些過程也會產生明顯不同的顆粒物，且僅限於較低海拔。“我們現在看到的是物質再入造成的——燒燬的流星和航天器的混合物，它們緩慢凝結形成顆粒物，然後沉降到大氣層中，”他說。
墨菲說，微量的鋰是高空飛行資料中第一個引人注目的異常現象，其次是鋁的高濃度，遠遠超過了在隕石太空塵埃中發現的丰度。“真正確定這一點的是對鈮和鉿的觀察，這兩種元素都非常稀有。你絕對不會期望在同溫層中發現它們，”他說。
但 NOAA 的飛行並非有意尋找來自太空垃圾的汽化金屬。相反，它們的目的是研究硫酸顆粒和其他同溫層氣溶膠。這些微小顆粒複雜的化學光化學作用具有巨大的行星級效應。氣溶膠可以透過調節反射陽光的雲層的形成來微調地球的溫度，並透過刺激或抑制破壞臭氧的化學反應來影響我們星球的天然“防曬層”。
控制火的統治
來自航天器的金屬對地球氣候和宜居性的最終影響仍然不清楚。
明確的是，隨著火箭發射和大氣層再入次數的持續增長，這種金屬汙染勢必在未來幾年加速。在很大程度上，由於包括 SpaceX 的星鏈和亞馬遜的柯伊伯計劃在內的衛星“巨型星座”計劃的激增，全球發射行業有望在 2030 年前將多達 50,000 顆新衛星送入軌道。而且，不需要火箭科學家也能意識到，大多數升空的東西最終都會掉下來——在這種情況下，會以火熱碎片的陣雨形式出現，將更多的金屬泵入同溫層。
“隨著所有這些發射，再入過程中汽化的物質總量可能與進入的隕石物質總量大致相當。而且，這是不同的物質，是不同的金屬混合物，”墨菲說。“當你有潛在的 50,000 顆衛星在軌道上執行時，如果它們的壽命為五年，那麼每年就會有 10,000 次再入——大約每天 30 次。這與過去的情況非常不同，這也是真正發生變化的事情之一。”
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（Leonard Schulz）沒有參與這項新研究，但他認為 NOAA 的測量是對他早期理論工作的開創性實證驗證。2021 年，舒爾茨和他在不倫瑞克的同事卡爾-海因茨·格拉斯邁爾 (Karl-Heinz Glassmeier) 發表了一篇論文，估計人類的航天工業現在和未來可能向大氣層注入多少物質。研究人員發現，與自然來源相比，這些物質的量可能相當可觀。
舒爾茨說：“它們證實了我們對人為因素對大氣注入的貢獻進行建模時提出的擔憂。因此，存在著一種具體的可能性，即這會改變我們家園星球的大氣層，併產生不利的環境影響，尤其是在當前航天領域和航天器巨型星座的強勁增長的情況下。”
舒爾茨說，要闡明太空垃圾對同溫層影響的性質和程度，取決於許多因素——其中最主要的是更徹底的建模和對航天器再入的更好觀測覆蓋。為了幫助實現這一目標，他認為，發射服務提供商和航天器製造商應公開披露原本被視為商業機密的資訊，例如衛星的具體結構配方和模擬再入剖面。
舒爾茨說，這種保密性“使得科學家們很難了解航天器的成分（按元素劃分），從而確定它們在再入過程中的影響”。
除了加強行業合作外，齊科佐還看到了 NOAA 進一步的後續飛行和實驗室研究的充足機會。他建議說：“例如，我們應該擴大範圍和季節，[透過] 獲取熱帶地區和其他地方的測量資料，以瞭解同溫層中其他型別顆粒物的來源。”“還需要進行實驗室研究，以調查將這些金屬新增到硫酸顆粒中的後果。這些顆粒會成核冰，並影響同溫層中的雲層和化學物質嗎？”
答案不會輕易獲得，但這對於正確評估人類持續向太空擴張對地球生命構成何種風險（如果有的話）至關重要。
墨菲說：“不知道這是否是個問題，這讓人感到不安。”“它有多重要？也許它不是完全重要。或者，也許它真的很重要。這是[一些]人們至今還沒有過多考慮的事情。”