地球轨道正在被垃圾填满。温室气体使问题雪上加霜。

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在任何给定时刻，都有超过 10,000 颗卫星以每小时约 17,000 英里的速度绕地球运行。这个机械星座是现代科技的支柱，使得 GPS、天气预报和电视直播成为可能。

但太空正变得越来越拥挤。自 20 世纪 50 年代末太空时代黎明以来，人类一直在向天空中倾倒垃圾。废弃卫星、旧火箭碎片和其他垃圾的累积数量达数千万件，它们以极快的速度飞行，即使是微小的碎片也能对航天器造成致命的损害。避开这个“雷区”对卫星运营商来说已经是一个头疼的问题，而且这个问题只会变得更糟——这不仅仅是因为人类每年都在发射成千上万的新飞行器。

人们燃烧化石燃料产生的过量二氧化碳正在使高层大气层收缩，加剧了太空垃圾的问题。《自然·可持续性》杂志周一发表的一项新研究发现，如果排放量不下降，到本世纪末，可能只有 2500 万颗卫星（约为目前容量的一半）能够安全地在轨道上运行。这意味着在大多数卫星使用的轨道范围内，只有 148,000 颗卫星能够安全运行，这听起来并不像听起来那么充裕：美国政府问责局2022 年的一份报告估计，到 2030 年，多达 60,000 颗新卫星将挤满我们的天空。据报道，埃隆·马斯克的 SpaceX 公司 alone 就计划部署42,000 颗星链卫星。

“环境已经非常拥挤了。卫星一直在左右躲闪，”马萨诸塞州理工学院航空航天学系的博士研究员、该研究的首席作者 William Parker 说。在最近的六个月期间，SpaceX 的星链卫星不得不进行 50,000 次避障机动。“只要我们还在排放温室气体，我们就增加了看到更多太空物体碰撞事件的可能性，”Parker 说。

直到最近，温室气体排放对高层大气的影响研究不足，以至于科学家们称之为“无知圈”。但使用现代卫星数据进行的研究表明，矛盾的是，使低层大气变暖的二氧化碳正在极大地冷却高层大气，导致其像在寒冷中被遗忘的气球一样收缩。这使得太空边缘的空气变得稀薄。

问题在于，大气密度是唯一能自然将太空垃圾移出轨道的因素。地球大气层并非突然消失为太空的真空，而是在卡门线（约 100 公里高）处急剧变稀薄。绕地球运行的物体会受到残留空气密度的拖拽，螺旋式地靠近地球，最终重返大气层，并在过程中焚毁。

根据非营利组织 Aerospace Corporation 的说法，最低轨道的碎片只需要几个月的时间就会被拖拽下来。但大多数卫星运行在“低地球轨道”区域，即 200 至 2000 公里之间，其坠落可能需要数百年到数千年。地球影响范围的最高外层被称为“坟墓轨道”，物体可以在那里停留数百万年。

“我们依靠大气层来清除我们在太空中的所有东西，而随着大气层的收缩和冷却，它的作用越来越差，”Parker 说。“没有其他方法可以让它们下来。如果没有大气层，它们将无限期地留在那里。”

This depicts the satellite-filled sky that is now a reality and getting more crowded every week! This adds together exposures taken over just 30 minutes on an early June night when, from my latitude of 51° N satellites even in low Earth orbit are lit all night by sunlight. Many of the parallel streaks heading generally horizontal west to east (right to left) may be from groups of SpaceX Starlinks. Others traveling vertically north-south are more likely from Earth observation satellites. There is at least one natural streak in the image — a meteor at centre, caught by chance on one frame. It appears as a colored and tapered streak. Other uniform undashed streaks may be from high-altitude satellites moving much more slowly. By comparison, most satellites appear as dashed lines because the image is a blend of many 2-second-long exposures with a gap of one second between exposures when the camera shutter was closed. So the motion of the satellites and image stacking turns them into dashes. The longer the dashes, the faster the satellite is traveling, with the fastest satellites being the lowest. This is looking due south and all the trails disappear low in the south above the trees, as that's where the Earth's shadow is, even on this June night. So the satellites aren't lit when they are in that small part of the sky. They emerge from the shadow heading north and disappear into the shadow heading south. The shadow creates the obvious boundary of where satellite trails are visible. At other times of the year low-orbit satellites are visible only after sunset or before sunrise, especially from lower latitudes. But not near summer solstice, and from higher latitudes. The field of view is about 100° by 75°. (Photo by: Alan Dyer/VWPics/Universal Images Group via Getty Images) — 一张长曝光照片显示了在 30 分钟内经过一片夜空的卫星数量。
*Alan Dyer/VWPics/Universal Images Group via Getty Images* Alan Dyer

Parker 的研究发现，在排放量居高不下的未来，大气密度将大大降低，以至于只有一半的卫星能够勉强挤在所有滞留的太空垃圾周围。几乎所有卫星都需要挤在低地球轨道的底部，在那里它们将需要定期使用推进器来避免被拖拽下来。在 400 至 1000 公里之间，即大多数卫星运行的区域，只有 148,000 颗卫星是安全的。如果超过这个数量，卫星碰撞碎片或彼此碰撞的风险将威胁到太空产业。

“任何碰撞产生的碎片都可能继续摧毁更多的卫星，”哈佛-史密森天体物理中心的天文学家 Jonathan McDowell 说，他没有参与这项《自然》研究。“因此，你可能会发生连锁反应，所有卫星相互碰撞、解体，并产生越来越多的碎片。”

这种滚雪球效应，通常被称为凯斯勒综合症，可能会使地球轨道充满如此多的破坏性碎片，以至于发射或运行卫星变得不可能。这正是该论文警告温室气体排放将使其更可能发生的失控情景。“但连锁反应不会一夜之间发生，”McDowell 说。“你只是会慢慢地被自己的污秽所窒息。”

欧洲航天局称，自太空探索开始以来，至少发生了650 次解体、爆炸或碰撞，将碎片抛入太空。美国太空部队等太空监视网络目前正在跟踪近 40,000 件碎片，其中一些碎片和汽车一样大。据估计，至少有 1.3 亿件小于 10 厘米的物体也在绕地球运行，但由于太小而无法被监测。

科学家们最近一直在研究清除这些碎片的方法，正如 McDowell 形象地所说，是“派‘垃圾车’进入太空”。2022 年，一颗中国卫星成功地与一颗报废的卫星对接，在将其拖入“坟墓轨道”之前，与其保持了同步速度。2024 年，一家日本公司 Astroscale 成功地将一个回收装置操纵到距离一颗废弃火箭 15 米的范围内——这足够近，可以进行磁力捕获——然后退开。

“总的来说，这是一个被推迟到未来世代来解决的环境问题，”McDowell 说。“我们会达到我们的承受能力吗？我认为我们将以艰难的方式发现。”