从漂浮在最深海沟中的一次性塑料袋，到最高山峰上布满微塑料的降雪，人类留下的混乱痕迹遍布地球——每一种污染物都带来潜在的环境危害，而这些危害仍然知之甚少。现在，科学家们又发现了一种需要担忧的污染物：来自烧毁太空垃圾的汽化金属，它们漂浮在地球的同温层中，而同温层正是地球脆弱的保护性臭氧层的所在地。
在三月和四月期间，研究人员在美国阿拉斯加和中西部地区进行了一系列高空研究飞行，使用专门的质谱仪对同温层空气进行了采样。他们发现，许多火箭和卫星常用的金属含量惊人地高，其比例通常与特定高性能航空航天合金中的比例相似。调查显示，这些金属正在硫酸颗粒中积聚，而硫酸颗粒构成了同温层的大部分微粒，并影响着我们世界的臭氧层和气候。
尽管只有约 10% 的采样硫酸颗粒含有来自航天器的金属，但研究人员预测，由于发射和卫星数量的激增，这一数值在未来几十年可能会增长到 50% 或更高。这项工作由美国国家海洋和大气管理局赞助，一篇报告研究结果的论文于 10 月 16 日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA) 上。
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在某些方面，这一切都不出所料。自从太空时代曙光出现以来，科学家们就已经了解到，大气层再入的热量会汽化火箭级、废弃卫星和其他坠落的航天器碎片。来自这种人为来源物质的气溶胶金属，加上估计每天有 50 至 100 吨太空尘埃落入大气层，共同构成了大气中的金属来源。但只是在最近几年——过去几年里——坠落太空垃圾的贡献才开始与这种自然背景相匹敌，甚至在某些情况下可能超过后者。来自 NOAA 飞行的的数据表明，现在在同温层中发现的大部分铝、铜和锂都来自太空垃圾。
总而言之，NOAA 的飞行发现了来自航天器和卫星再入的 20 多种不同的元素，包括银、铁、铅、镁、钛、铍、铬、镍和锌。
毋庸置疑的联系
美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 化学科学实验室位于科罗拉多州博尔德市的研究化学家、该研究的主要作者丹尼尔·墨菲说，迄今为止，大多数关于再入太空垃圾的模型都集中在是否有任何碎片能够持续存在并威胁到地面上的旁观者。
早期的研究人员“没有过多考虑在再入过程中汽化的物质会发生什么。当然，它们不会消失。它们肯定会去某个地方，”墨菲说。“现在通过这些测量，我们知道它们去了哪里。它们进入了同温层中的颗粒物。”
普渡大学大气科学家、研究合著者丹尼尔·齐科佐表示，金属与航天器再入之间存在着无可辩驳的联系。研究结果无法用火箭发射造成的污染或飞机飞过同温层来解释，因为后者产生的颗粒物尺寸和化学特征截然不同。它们也不能归因于地面工业过程，如金属冶炼，因为这些过程也会产生明显不同的颗粒物，且仅限于较低海拔。“我们现在看到的是物质再入造成的——烧毁的流星和航天器的混合物，它们缓慢凝结形成颗粒物，然后沉降到大气层中，”他说。
墨菲说，微量的锂是高空飞行数据中第一个引人注目的异常现象，其次是铝的高浓度，远远超过了在陨石太空尘埃中发现的丰度。“真正确定这一点的是对铌和铪的观察，这两种元素都非常稀有。你绝对不会期望在同温层中发现它们，”他说。
但 NOAA 的飞行并非有意寻找来自太空垃圾的汽化金属。相反，它们的目的是研究硫酸颗粒和其他同温层气溶胶。这些微小颗粒复杂的化学光化学作用具有巨大的行星级效应。气溶胶可以通过调节反射阳光的云层的形成来微调地球的温度，并通过刺激或抑制破坏臭氧的化学反应来影响我们星球的天然“防晒层”。
控制火的统治
来自航天器的金属对地球气候和宜居性的最终影响仍然不清楚。
明确的是，随着火箭发射和大气层再入次数的持续增长，这种金属污染势必在未来几年加速。在很大程度上，由于包括 SpaceX 的星链和亚马逊的柯伊伯计划在内的卫星“巨型星座”计划的激增，全球发射行业有望在 2030 年前将多达 50,000 颗新卫星送入轨道。而且，不需要火箭科学家也能意识到，大多数升空的东西最终都会掉下来——在这种情况下，会以火热碎片的阵雨形式出现，将更多的金属泵入同温层。
“随着所有这些发射，再入过程中汽化的物质总量可能与进入的陨石物质总量大致相当。而且，这是不同的物质，是不同的金属混合物，”墨菲说。“当你有潜在的 50,000 颗卫星在轨道上运行时，如果它们的寿命为五年，那么每年就会有 10,000 次再入——大约每天 30 次。这与过去的情况非常不同，这也是真正发生变化的事情之一。”
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（Leonard Schulz）没有参与这项新研究，但他认为 NOAA 的测量是对他早期理论工作的开创性实证验证。2021 年，舒尔茨和他在不伦瑞克的同事卡尔-海因茨·格拉斯迈尔 (Karl-Heinz Glassmeier) 发表了一篇论文，估计人类的航天工业现在和未来可能向大气层注入多少物质。研究人员发现，与自然来源相比，这些物质的量可能相当可观。
舒尔茨说：“它们证实了我们对人为因素对大气注入的贡献进行建模时提出的担忧。因此，存在着一种具体的可能性，即这会改变我们家园星球的大气层，并产生不利的环境影响，尤其是在当前航天领域和航天器巨型星座的强劲增长的情况下。”
舒尔茨说，要阐明太空垃圾对同温层影响的性质和程度，取决于许多因素——其中最主要的是更彻底的建模和对航天器再入的更好观测覆盖。为了帮助实现这一目标，他认为，发射服务提供商和航天器制造商应公开披露原本被视为商业机密的信息，例如卫星的具体结构配方和模拟再入剖面。
舒尔茨说，这种保密性“使得科学家们很难了解航天器的成分（按元素划分），从而确定它们在再入过程中的影响”。
除了加强行业合作外，齐科佐还看到了 NOAA 进一步的后续飞行和实验室研究的充足机会。他建议说：“例如，我们应该扩大范围和季节，[通过] 获取热带地区和其他地方的测量数据，以了解同温层中其他类型颗粒物的来源。”“还需要进行实验室研究，以调查将这些金属添加到硫酸颗粒中的后果。这些颗粒会成核冰，并影响同温层中的云层和化学物质吗？”
答案不会轻易获得，但这对于正确评估人类持续向太空扩张对地球生命构成何种风险（如果有的话）至关重要。
墨菲说：“不知道这是否是个问题，这让人感到不安。”“它有多重要？也许它不是完全重要。或者，也许它真的很重要。这是[一些]人们至今还没有过多考虑的事情。”