九月的一个星期天清晨，12 位身心俱疲、时差困扰的研究人员聚集在世界上最偏远的机场——复活节岛。复活节岛位于智利海岸约 2330 英里之外，他们此行的目标是追踪一颗卫星在进入大气层、燃烧解体的最后时刻。
这颗卫星名为 Salsa，属于欧洲航天局“Cluster”星座的四颗卫星之一。自 2000 年初以来，Salsa 和其他卫星一直在研究地球磁场，但它的任务已宣告结束。几个月前，这颗航天器被设定进入了一条“死亡螺旋”，最终将在距离复活节岛海岸约千英里的高空中，在地球大气层内燃烧解体。
如今，科学家们准备亲眼见证这一过程。借助欧洲航天局地面控制中心提供的精确轨道计算，研究人员乘坐租来的商务喷气机起飞，机窗旁装有 25 台摄像机和光谱仪。他们希望通过这些设备收集宝贵的数据，揭示卫星在任务结束时坠向地球、燃烧解体时的物理与化学过程。
这种研究变得愈加紧迫。大约 15 年前，绕地球轨道运行的卫星数量还不到 1,000 颗，而如今这一数字已飙升至约 10,000 颗。随着像 Starlink 这样的大型卫星星座的崛起，预计到本十年末，卫星数量将再次增长十倍。为了在卫星生命周期结束时让它们燃烧解体，有助于将太空垃圾的数量控制在最小范围内。然而，这一过程也将卫星的灰烬释放到地球大气层的中层，这些金属灰烬可能会对大气层造成危害，甚至可能改变气候。科学家们目前尚不清楚，这一问题在未来几十年内会带来多大影响。
卫星重返大气层时，它们的灰烬中含有一些可能破坏臭氧层的物质。模型研究显示，这些成分中的一部分可能会导致地球平流层降温，而另一部分则可能使平流层升温。一些人担心，这些金属颗粒甚至可能干扰地球的磁场，遮挡地球观测卫星的视野，并增加雷暴的发生频率。
“我们需要了解这背后发生的物理过程。”欧洲航天局（ESA）高级分析师 Stijn Lemmens 表示，他负责这项研究，“如果重返大气层的物体增多，随之而来的影响也会加剧。”
全球的大气科学家们正迫切期待这些测量结果，期望填补他们理解中的重大空白。
Salsa 卫星的重返大气层，实际上是太空探索历史上第五次进行此类观察行动。然而，以前的研究主要关注的是更大的物体，比如重达 19 吨的阿丽亚娜 5 号火箭上级火箭级。
相比之下，Cluster 星座中的 Salsa 卫星仅重 550 公斤，属于相对小巧的卫星。正因为如此，科学家们格外重视它，因为像它这样尺寸的航天器在未来几年将会越来越多地出现在地球轨道上。
巨型卫星星座的隐患
预计卫星数量的增长大部分将来自像 Salsa 卫星这样的小型卫星。这些卫星是庞大卫星星座的组成部分，旨在为全球任何地方的用户提供更快速、低延迟的互联网服务。
其中，SpaceX 的星链是规模最大的项目。目前，星链卫星群约有 6,500 颗卫星，预计到 2030 年，卫星数量将激增至超过 4 万颗。除了星链，其他巨型卫星星座也在筹备中，包括亚马逊的 Kuiper 计划、法国 E-Space 公司以及中国的 G60 和国网星座，每个星座的卫星数量可能会达到几千颗，甚至上万颗。
这些巨型星座的开发者并不希望它们的卫星像传统的政府资助卫星那样在轨道上飞行几十年。相反，他们计划每五年就用更新、更先进的技术替换掉这些“互联网路由器”，并让旧卫星在大气层中燃烧解体。为了发射这些卫星所需的火箭本身也会排放污染物，而火箭的上级火箭级在完成任务后也会在大气层中燃烧解体。
哈佛-史密松天体物理学中心的天文学家 Jonathan McDowell 表示，近年来地球大气层中蒸发的太空垃圾数量已经是以前的两倍多。他已经开始从事太空垃圾追踪工作，成为该领域的领先专家。
他说：“过去，我们每年大约能看到 50 到 100 颗火箭重返大气层，而现在，这个数字已经增加到每年约 300 颗。”
2019 年，大约 115 颗卫星在大气层中燃烧解体。根据 McDowell 的说法，到 2024 年 11 月底，卫星重返大气层的数量已创下新纪录，达到了 950 颗。
随着卫星星座规模的扩大，太空垃圾蒸发的质量也将不断增加。根据在英国南安普顿大学举行的《保护地球与外太空免受航天器和太空垃圾处理影响》研讨会上的估算，到 2033 年，每年蒸发的太空垃圾质量可能会达到 4000 吨。
最关键的是，这些重返大气层时产生的灰烬大部分将悬浮在稀薄的大气中，持续几十年，甚至可能数百年。然而，获取关于卫星燃烧解体的精确数据几乎是不可能的。因为这一过程发生在气象气球无法到达的高度，而又低于轨道卫星上探测仪器的测量范围。科学家们能够获得的最接近的数据，就是通过遥感技术捕捉卫星重返大气层的最后时刻。
太空中的化学变化
九月，从复活节岛起飞的商务喷气机——如今已变成科学实验室——上的研究人员，并没有亲眼看到 Cluster Salsa 卫星在太平洋深邃的黑水上空爆炸成火球的瞬间。与明亮的白昼相比，那短暂的爆炸几乎微弱得像正午的满月。然而，飞机窗户被深色布料遮挡（以防反射光线影响测量），只允许相机镜头露出，斯洛伐克 Astros Solutions 公司专注于太空态势感知，并开发新的太空垃圾监测技术，负责协调这次观测行动。
“当事件发生时，我们大约距离 300 公里远，足够远，以避免被残余碎片击中。”Astros Solutions 公司首席执行官 Jiří Šilha 说，“这一切发生得非常迅速。物体以每秒 11 公里的超高速度重返大气层，并在地球上方 60 到 80 公里的高空解体。”
仪器收集了可见光和近红外光谱范围内的解体数据，包括通过特殊滤光片观察铝、钛和钠等化学元素的存在。这些数据将帮助科学家重建卫星解体的过程，确定燃烧发生的高度、温度，以及释放的化学化合物的性质和数量。
Cluster Salsa 卫星的灰烬残留物现在开始在中层大气和平流层中缓慢漂移——这两个大气层的高度分别为 31 至 53 里和 12 至 31 英里。随着这些颗粒的下降，它们将在数十年的过程中与大气中的气体发生相互作用，带来深远影响。伦敦大学学院的大气化学建模研究员 Connor Barker 表示，10 月初，他在Scientific Data期刊上发表了关于卫星空气污染清单的研究。
卫星本体和火箭级大多数由铝制成，而铝在燃烧过程中会转化为铝氧化物或铝土矿——这是一种白色粉末，已知会加剧臭氧层的破坏。铝土矿还具有反射阳光的特性，这意味着它可能改变高层大气的温度。
Barker 表示：“在我们的模拟中，我们开始看到大气上层的温度随时间升高，这会对大气成分产生连锁反应。”
例如，一些模型表明，温暖的气候可能会向平流层增加更多水分，从而加剧臭氧层的消耗，并可能引发更强的温暖效应，导致更严重的臭氧层破坏。
卫星重返大气层的极高速度还会产生“冲击波”，压缩大气中的氮气并与氧气反应，生成氮氧化物。McDowell 表示，氮氧化物也会破坏大气中的臭氧。目前，卫星燃烧解体和火箭发射所导致的臭氧破坏中，有 50% 是由氮氧化物引起的。火箭产生的烟尘也会改变大气的热平衡。
从某种意义上说，高空大气污染并不新鲜。每年，大约 18,000 吨的陨石在中层大气中蒸发。即使在 10 年后，假如所有计划中的巨型卫星星座都完成建设，陨石坠落地球时蒸发的数量依然会高于太空垃圾的燃烧量，且约为太空垃圾的五倍。
然而，这对 McDowell 和 Barker 这样的研究人员来说并没有安慰。Barker 指出，陨石中含有的铝成分极少，而且它们在大气中的解体速度较快，因此产生的氮氧化物更少。
他表示：“从卫星重返大气层和火箭发射产生的氮氧化物量，已经接近我们对陨石自然排放氮氧化物的年度最低估计。这无疑是一个令人担忧的问题，因为我们很可能很快会对大气造成比自然现象更多的影响。”
卫星重返大气层所产生的铝土矿年排放量，已接近燃烧陨石所产生的数量。在最坏的情况下，到了 2040 年，人类活动所贡献的这一污染物将是自然来源的十倍。
这对地球的影响是什么？
所有这些对地球生命的影响到底意味着什么？目前，没人能确定。关于卫星和火箭活动所带来的空气污染成分的研究正在稳步推进，数据也在逐步积累。
Barker 表示，计算机模拟显示，当前太空行业对整体臭氧层破坏的贡献微乎其微，仅为 0.1%。但这个比例在未来 10 年、20 年或 50 年内会增长多少，目前尚无人能预测。这个方程式中有太多不确定因素，包括粒子的大小——这将影响它们沉降所需的时间——以及颗粒与气态副产物的比例。
“作为一个社会，我们必须做出选择，是否优先减少太空交通，还是减少其他类型的排放。”Barker 说，“这些增加的重返大气层频率，很大程度上是因为全球社会在清理近地轨道的太空垃圾方面取得了显著进展。但我们确实需要更好地理解这些排放对环境的影响，只有这样，我们才能决定如何最好地处理太空中的这些物体。”
2023 年 7 月，地面天线捕捉到了欧洲航天局（ESA）卫星 Aeolus 重返地球大气层的最后时刻的雷达数据。
21 世纪气候变化的灾难始于 19 世纪中期人类开始燃烧化石燃料。同样，氯氟烃（CFCs）花了 40 年才在地球的保护臭氧层上开了一个洞。而“永远存在的化学物质”——用于制造不粘涂层和消防泡沫的全氟和多氟烷基物质——的污染始于 1950 年代。像 McDowell 这样的研究人员担心，这一历史可能会在太空领域重演。
“人类在太空中的活动已足够庞大，以至于它们正在以类似我们对海洋造成的影响的方式，改变太空环境。”McDowell 说，“问题在于，我们在进行这些改变时，并未完全理解这些改变何时会变得令人担忧。”
以往的观测主要关注卫星重返大气层时的物理解体过程。通过 Cluster 星座，科学家们希望揭开这一复杂过程中的化学面纱。对于像 Barker 这样的研究人员而言，这意味着终于可以获得数据，验证并改进他们的模型。当 Salsa 的“兄弟们”在 2025 年和 2026 年重返大气层时，Cluster 星座将提供三次弥补这一环境难题空白的机会。
“Cluster 的优势在于，我们有四颗完全相同的卫星，且对每一个细节都了如指掌。”Šilha 说，“这简直是科学家的梦想，因为我们可以重复实验，并从每一次的观测中不断积累经验。”
https://www.technologyreview.com/2024/12/09/1108076/satellite-reentry-atmospheric-pollution/