从地面上看，地球的天空似乎是无限和永恒的，但从上方看，景象却截然不同——在漆黑的虚空中，一条岌岌可危的蓝色细线，这就是我们生机勃勃的世界与太空致命环境之间的一切屏障。正是在这片脆弱的广阔空间中，科学家们现在认识到一种长期存在的危险：来自再入大气层的卫星和其他轨道碎片造成的污染。一项新的研究表明，这种新出现的威胁可能会破坏地球保护性臭氧层微妙的平衡。
如果不进行昂贵的定期再加速，所有低地球轨道卫星都注定要面临一场火热的命运——逐渐降低高度，直到它们在大气层稀薄的外层燃烧殆尽并解体。自太空时代开始以来，这一过程一直被认为是清除地球轨道垃圾的一种简单且无后果的方式。然而，现在，一项新的研究受到卫星再入数量激增的启发，估计2016年至2022年间，来自卫星的空气传播氧化铝污染增加了八倍。更令人震惊的是，该研究表明，这种累积的碎片会破坏我们的大气臭氧保护层。“我们不应该马上妄下结论，”该研究的主要作者、南加州大学研究员何塞·费雷拉说，“但这些数字非常令人担忧。” 该研究发表在6月刊的《地球物理研究快报》上。
地球破碎的盾牌
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臭氧是一种由三个氧原子组成的高活性化合物，是地球大气层最关键的组成部分之一。紧密的键将分子的氧原子结合在一起，使平流层中的臭氧层能够吸收来自太空的大部分有害紫外线（UV）辐射，防止其到达地球表面。然而，臭氧也容易受到人类活动的影响而降解。在20世纪70年代，科学家们发现家用产品中的氯氟烃（CFCs）正在臭氧层上“蛀出一个洞”，严重削弱了其保护作用。
尽管目前修复臭氧层空洞的努力已显示出显著成效，但一组新的污染物可能会逆转这种恢复。在去年十月发表的一项研究中，科学家们发现平流层中积累了异常高量的汽化金属，如铝、铜和锂——这种异常现象归因于火箭发射和卫星再入大气层。“我们知道卫星再入大气层，升温，汽化——[并且]这些金属不知何故进入了平流层，”该研究的作者之一、航空航天公司的大气科学家和高级项目工程师马丁·罗斯说。他补充说，需要更全面地了解污染的潜在程度——从汽化到沉降到平流层。
在等离子风洞测试中，一个笨重的卫星组件融化和解体的延时视图。
ESA/DLR
不断激增的卫星数量似乎只会加剧平流层金属含量飙升的水平。已有超过8000颗卫星位于低地球轨道，并且计划再发射数万颗，其中大部分是以所谓的巨型星座的形式存在，例如SpaceX的星链，这是一个提供全球宽带互联网接入的卫星系统。星链和其他巨型星座依赖于规模经济；它们庞大的卫星群不断用新卫星更新，以取代在大气层中烧毁的旧卫星。结果是火箭发射和航天器再入大气层的次数急剧增加。“人们普遍认为，在大气层中燃烧的东西会消失，但当然，质量永远不会消失，”加拿大全球政治和国际法研究主席、外太空研究所联合主任迈克尔·拜尔斯说。
受到去年在平流层中显著检测到金属的启发，费雷拉和他的同事研究了每颗卫星可能贡献金属污染物的程度。他们的研究模拟了进入的卫星与中间层（或大气层的中间层，位于平流层之上）中的氧原子之间的相互作用。研究发现，坠落卫星的闪热铝会迅速腐蚀，与氧气反应形成氧化铝。事实证明，这对平流层臭氧来说可能是一个非常坏的消息。
在足够的浓度下，氧化铝很容易催化臭氧与氯气的破坏性反应，从而分裂臭氧分子并削弱地球的紫外线防护罩。此外，由于氧化铝在此过程中保持完整，它可以继续与臭氧反应。该化合物的持久性意味着即使是少量也可能对臭氧层造成重大的长期影响。费雷拉和他的合著者将他们的研究结果放大到当前的巨型星座和公开的未来扩张计划，估计仅在2022年，卫星就向地球中间层排放了17公吨的氧化铝。令人不寒而栗的是，如果巨型星座的快速计划扩张继续下去，这种涌入量将上升到每年约360公吨的氧化铝。该研究还模拟了氧化铝的大气动力学，表明这些颗粒可能需要长达30年的时间才能漂移到平流层，从而对臭氧层造成严重破坏。“虽然[污染物]在大气中积累，但这是我们正在失去的时间。当我们看到结果时，可能为时已晚，”费雷拉说。
防御措施
了解坠落的空间碎片如何攻击臭氧层只是战斗的一部分。如果独立研究证实这些发现，那么下一个关键挑战将是制定对策来抵消这些影响。
20世纪70年代臭氧层空洞的发现促成了随后十年的《蒙特利尔议定书》，这是一项国际条约，促使全球领导人在20世纪80年代成功地解决了CFC问题。但是，如果将其应用于来自再入大气层卫星的污染，而不是来自冰箱和发胶罐的污染，这种国际条约似乎不太像是解决问题的典范，而更像是对我们当前监管框架中漏洞的严厉指责。《蒙特利尔议定书》表明，通过全球协调，复杂的环境问题是可以管理的。然而，现有的轨道活动规则和限制似乎为任何简单的解决方案提供了糟糕的、相互冲突的前景。例如，美国联邦通信委员会规定，在美国，低地球轨道卫星必须在任务完成后五年内脱离轨道。这些法规的主要目的是防止轨道过度拥挤，但它们未能考虑到潜在的大气影响。“这是一个有趣的悖论，”费雷拉说。“我们需要清理轨道环境，但我们不知道这对大气层造成的代价是什么。”
航空航天公司空间政策与战略中心系统主管布莱恩·韦登补充说：“当前的监管框架并非为此类事情而建立。没有一个复选框说，‘还要看看这是否对高层大气产生影响’，因为这不是任何人都在考虑的问题。” 然而，卫星发射仍在继续，随着我们逐渐了解更多关于这个过程的信息，“它一直在成为一个更大的问题，”罗斯说。“我们就像盲人一样，一直在路上开车。”
费雷拉和他的同事们的工作揭露了越来越多的无形太空污染物正在威胁着我们的大气保护层。但预测大气动力学是一个问题，预测全球反应可能是一个更大的问题。“我希望这次我们可以比应对气候变化时更快、更聪明，”德国不伦瑞克工业大学地球物理学和地外物理研究所的研究员伦纳德·舒尔茨补充说。“我们可以迅速对[这个问题]采取行动，我们必须共同努力。”