Monday, March 4, 2024

人造衛星留下的金屬微塵

當一顆人造衛星作廢之後,它一定會掉回地面。一般來說,這些太空飛行物在殞落時會燒得一干二淨,不會對地面上、海洋中的任何設施造成危險。

但根據《商務內幕》報道,最近科學家發現,這些太空飛行物在大氣層中燃燒時,在平流層留下了金屬顆粒。這些顆粒是否影響了氣候?它們引發的彩色雲會否破壞了臭氧層?答案是危險和令人焦慮。

現在平流層附近漂浮的顆粒物中,大約有10%來自航空航天工業。專家告訴《商業內幕》,一個風險是這些新粒子可能會形成極地平流層雲--一種壯觀的彩色雲,會破壞臭氧層。

負責監測粒子的美國國家海洋和大氣管理局化學實驗室的科學家Daniel Murphy告訴BI記者:「這很好地展示了對平流層進行基礎研究的重要性。...我們完全沒有預料到這種現象出現,也不完全理解這種現象及其含意。」

現在發現,平流層中的這些顆粒會改變臭氧層。還記得臭氧層嗎?在1980年代左右,科學家了解到「臭氧層」的存在。包含在平流層中的臭氧層能夠保護地球上的人免受太陽紫外線的輻射,很重要。當科學家發現氯氟烴(CFC制冷劑)不受控地進入大氣層,造成兩極上的臭氧層大洞,發出警報時,新聞經常報導。

1987年有個全球協議,規定各工業國都要設立計劃,逐步淘汰那些有害的制冷劑。於是臭氧層漸漸恢復,但是至今並未完全消失。2023年9月,南極上空的臭氧層洞忽然擴大,然後又迅速恢復。科學家確定那是2022年Hunga Tonga火山噴發,許多金屬顆粒進入大氣層的緣故。

所以密切注意平流層中的粒子很重要。這些奈米顆粒一般是從隕石撞擊地球來的,能夠大幅改變平流層的化學成分。因為小顆粒把金屬等等元素帶入平流層,能夠與其中自然存在的硫酸結合,產生能夠吸收水蒸氣的化學反應物,形成冰晶,又引發連鎖反應,生成彩色的極地平流層雲。

這些令人驚嘆的平流層雲,並非我們平時所知的在對流層中行成、會帶來降雨的雲,因為平流層比對流層乾燥得多。但這些雲與人造氣體混合時很可怕。雲層邊緣提供完美的條件,將有害的氯和溴化物轉化為活躍、能夠破壞臭氧層的形式。

Murphy和同事最近使用NASA WB-57高空研究飛機,攜帶靈敏的探測儀器,對阿拉斯加上空的平流層粒子狀況進行測量。他們的研究結果發表在2023年10月刊的《美國國家科學院院刊》上。報告顯示,他們拾取的平流層硫酸顆粒中,大約有10%無法用自然原因解釋,也就是顯然不可能來自隕石。

他說,這些粒子含有「太多的鋁、太多的鋰、太多的其他元素」,其中尤其是鈮和鉿的存在令人驚訝。「我們並不是直接看到太空船,但是鋁和銅的組合,加上鈮和鉿,用於耐熱的高性能的合金,是我們航空航天工業的特色。」--這些金屬在落回到地面的過程中「蒸發」進入了平流層。

現在我們根本不知道這些新粒子會怎樣,但科學家們希望搞清楚這件事。它們或許會引發極地平流層雲。英國利茲大學大氣科學教授Martin Chipperfield告訴記者,「如果是這樣,短期內這可能會成為一個大問題。...目前預計臭氧空洞消失的時間大約在2060年,因為大氣中氯含量下降得非常非常緩慢。」

他說如果我們在未來幾十年內大幅增加空間碎片的燃燒量(每顆發射的衛星最終都要掉下來),那麼短期內臭氧層漏洞問題不會好轉,只會更糟。這些新粒子可能遷移到對流層,在那裡形成羽狀卷雲(這些羽狀卷雲保留大氣中的熱量),加劇氣候危機。

這些粒子也有可能造成其它的新現象,或是甚麼影響都不會有--科學家必須在實驗室裡做模擬實驗來驗證。Chipperfield教授說:「航太工業發展如此迅速,如果有甚麼不良影響,你寧願在工業增長之前就了解,而不是在已經出現問題之後才認識它。」科學家們現在意識到,我們知之甚少。

隨著發射成本的下降,到2030年,繞地球運行的衛星數量預計將從現在的大約8千顆增加到5萬顆以上,其中許多衛星的壽命預計很短。這樣算來,平均每小時就會有一顆衛星重新進入大氣層,估計在幾十年內,航天碎片金屬就可能佔平流層中顆粒的50%,這使得了解金屬顆粒作用的任務變得更緊迫。

Chipperfield教授說,太空船退役只是考量的一部分:「越來越多的小型衛星和旅遊業的火箭發射,這些火箭燒煤油或其它燃料,比如碘,排放進入大氣層,然後不久就從太空返回大氣層,燃燒而消亡。...我認為衛星的整個生命週期絕對值得關注,在大氣層中燒毀只是其中一部分。」

科學家們在認真考慮地球工程,對大氣進行修復,比如透過向平流層發送數十億硫酸顆粒,來幫助保護地球免受過多的太陽熱量。對Murphy來說,這表明,隨著越來越多的人類嘗試進入太空,我們不了解自己如何影響平流層,也不了解平流層的粒子成分,急需增加這方面的討論。

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