在一个多雾的 仲夏早晨，在加州圣巴巴拉西北部 54 英里处， SpaceX 的工程师们忙碌地进行着一项他们已经做过多次的仪式。他们为一枚猎鹰 9 号火箭装载了数万加仑的煤油和超低温液氧，这种推进剂组合能让这艘飞船的九台梅林发动机以 170 万磅的推力轰鸣启动。不久之后，这台机器就射入了平流层，准备将该公司 46 颗星链（Starlink）互联网卫星送入近地轨道。但这枚火箭还带来了另一个“礼物”：一道烟灰颗粒的轨迹，在发射数小时后仍然笼罩在太平洋上空。
这是该公司 2022 年的第 32 次发射，保持着每周发射近一艘火箭的节奏。随着将设备、宇航员和超级富豪游客送往地球和返回地球的载客量创下纪录，高空从未如此繁忙。从中国的“长征”系列等政府项目到 SpaceX 的“龙”飞船等私人发射，世界在 2021 年共完成了约 130 次成功发射，并且有望 在 2022 年完成更多发射。然而，许多行程都会将微小的物质颗粒喷入平流层，而这个区域此前受到的污染并不多。
气候科学家们仍在努力充分理解火箭残留物如何影响地球的紫外线防护层。但即使他们发现了警告信号，也需要某个组织或权威人士出面为该行业制定排放标准。在此期间，一些航空航天公司正在探索可持续的替代方案，例如生物燃料，来为其远距离飞行系统提供动力。
发射频率的增加让像马丁·N·罗斯（Martin N. Ross）这样的研究人员感到担忧，他是一名大气物理学家和加州非营利研究中心航空航天公司（Aerospace Corporation）的项目工程师，他担心 平流层的未来——以及世界的未来。未来几十年火箭交通的预测呈指数级增长，就像一枚猎鹰 9 号火箭在发射台上一样。如果太阳加热了燃料轨迹中的足够多颗粒，正如一些计算机模型所表明的那样，太空旅行可能会成为气候变化的一个重要驱动因素。“这不是理论上的担忧，”罗斯说。
| 选择你的燃料：煤油 它是什么？ 煤油，源自石油，由碳和氢原子链组成。精炼的液体燃料形式装在垃圾桶大小的罐子里，与氧化剂一起燃烧。在这些容器中，SpaceX 用氦气为煤油加压——以至于专家们说该公司使用了“很大一部分”地球的氦气供应。 谁在使用它？ Rocket Lab、SpaceX、空军以及许多其他机构。 它有多环保？ 这取决于发动机燃烧效率，但它总是会产生黑色碳烟，一种吸热剂。 |
除非你此时正在国际空间站上阅读这篇文章，否则你呼吸的是来自 对流层 的空气——这是地球大气层最底部的一层，向上延伸数英里。而其上面的那层，平流层，位于海平面以上 6 到 31 英里之间，相比之下非常沉闷：几乎没有云，所以不下雨。空气稀薄且寒冷，含有臭氧，这是一种基于氧气的气体，可以保护所有生命免受太阳辐射，但对肺部有毒。
包括航空业每年产生的 9 亿吨二氧化碳在内的大多数温室气体都将热量困在对流层。但火箭在高海拔地区排放蒸汽，使它们成为上层平流层中唯一的直接排放源。
天空中的酸
直到 1931 年，平流层才有人类活动。当时，瑞士物理学家奥古斯特·皮卡德（Auguste Piccard） 和他的助手乘坐一个 500,000 立方英尺的氢气球，上升了近 10 英里，然后返回。他们是众多探险者中的第一批。到了 20 世纪 60 年代，美国和苏联的太空计划就已经定期将火箭发射到天空的边缘。
随着冷战期间宇航员和太空人计划的演变，气候变化研究——尤其是二氧化碳污染和大气退化的研究——也随之发展。在 20 世纪 70 年代，NASA 的航天飞机计划引起了像拉尔夫·西塞罗内（Ralph Cicerone）和理查德·斯托拉尔斯基（Richard Stolarski）这样的气氛化学家的兴趣，他们随后进行了首次对平流层火箭排气的调查。航天飞机的固体发动机使用一种称为高氯酸铵的结晶化合物，该化合物会释放出盐酸作为副产品。氯对臭氧具有高度破坏性——美国环保署估计，一个单独的氯原子可以分解 数万个大气气体分子。
在 1973 年 6 月提交给 NASA 的一份报告中，西塞罗内、斯托拉尔斯基和他们的同事计算得出，每年发射 100 次航天飞机将产生“相当少”的含氯化合物。但他们警告说，这些化学物质可能会随着时间的推移而累积。西塞罗内和斯托拉尔斯基最终将注意力集中在 火山爆发 上，因为这些喷发代表着更大、更剧烈的氯释放。
在 20 世纪 80 年代，英国气象学家发现南极平流层中的臭氧层正在变薄。他们将其罪魁祸首归结为来自发胶喷雾罐的氯以及来自其他人类制造来源的消耗臭氧的化学物质——氯氟烃（CFCs）。直到 1987 年《蒙特利尔议定书》 签署并获得联合国所有成员国的批准后，这个臭氧空洞才开始愈合。该议定书逐步淘汰了 CFCs 的使用，使大气层走上了长达数十年的恢复之路。
罗斯说，在该条约之后，“任何排放氯的物质都受到怀疑”。但尚不清楚火箭排放物是否也会改变臭氧层。
在接下来的二十年里，美国空军委托航空航天公司和大气科学家，如现任科罗拉多大学博尔德分校教授的达林·图伊（Darin Toohey），研究火箭尾气的化学成分。使用 NASA 的 WB-57 飞机——一种能够飞行 11 英里高并经过科学观测改装的喷气式轰炸机——研究小组在 21 世纪初直接采样了包括“泰坦”、“雅典娜”和“德尔塔”在内的美国发射载具的排放物。
| 选择你的燃料：甲烷 它是什么？ 甲烷（CH4）是湿地细菌分解有机物时自然产生的。它是一种相对较新的火箭燃料选择，于 2007 年首次亮相，当时 NASA 进行了一次成功的发动机测试。燃烧甲烷产生的比冲（火箭的等效燃油效率）比煤油高约 10%。 谁在使用它？ 中国国家航天局、印度空间研究组织和 SpaceX，尽管它们的所有版本都处于开发阶段。 它有多环保？ 虽然甲烷本身是一种温室气体（事实上，它在大气中的增温能力比二氧化碳强），但作为燃料燃烧的甲烷会在燃烧反应中被消耗掉。甲烷发动机比更常见的煤油发动机更清洁，但尚不清楚它们会排放多少黑碳。 |
从尾气中新鲜收集到的材料使研究人员对固体推进剂与空气相互作用的方式有了更深入的了解。例如，他们检查了航天飞机助推器燃烧铝粉作为燃料时排出的颗粒，以及这些颗粒如何与臭氧反应。罗斯说，其影响不像他们担心的那么严重。尽管尾气在发射后一小时内会消耗掉附近的臭氧，但在排放物扩散后，臭氧层会迅速恢复。
与此同时，在 21 世纪之交，美国和俄罗斯的火箭发射数量有所减少。在 2003 年，“哥伦比亚”号航天飞机在重返大气层时解体，导致七名船员丧生后，NASA 暂停了该计划的其他飞行两年。使用 WB-57 飞机观测尾气的任务于 2005 年结束。六年后，NASA 正式退役了 航天飞机系统。
新火箭，更多烟灰
当 SpaceX 在 2008 年将第一枚液体燃料火箭送入轨道时，它为更多私营太空飞行奠定了基础。但它在其主力火箭中使用的化学物质并非什么新鲜事物。一种精炼的煤油——火箭推进剂-1 或 RP-1，已经为几代火箭提供了动力，包括将阿波罗宇航员送往月球的飞船的第一级发动机。它广为人知且相对便宜。
罗斯、图伊和他们的同事迈克尔·米尔斯（Michael Mills）敏锐地察觉到航空航天领域的趋势，计算了从地球表面到 90 英里高空之间，类似碳氢化合物燃料火箭的机队将产生哪些排放物。他们预测的结果发表在 2010 年的《地球物理学研究快报》上，结果出人意料：一种充满黑碳的排放特征，这与地面上调校不佳的柴油发动机排放的污染物相同。“它似乎对上层大气产生了不成比例的影响，”图伊说。
伦敦大学学院（University College London）的大气化学家埃洛伊斯·玛莱（Eloise Marais）补充说，这些黑色的颗粒“非常非常善于吸收太阳辐射”。想想看，在炎热的夏日，穿黑衬衫比穿白衬衫更容易发热，你就明白了。
| 选择你的燃料：液态氢 它是什么？ 尽管氢是地球（和太空）中最丰富的元素，但冷流动的氢比其他燃料更昂贵。它需要储存在大型外部储罐中，并保持在零下 423°F（约零下 252°C）才能保持其状态。可以这样想：如果以甲烷和煤油为燃料的火箭是太空轿车，那么以氢为燃料的发动机就是跑车。 谁在使用它？ 蓝色起源（Blue Origin）和 NASA 用于 SLS 火箭系统的部分。 它有多环保？ 这种低温燃料的排气主要是水蒸气。燃烧氢气时没有碳，这意味着没有黑碳烟。 |
靠近地面时，雨水或其他降水会将黑碳冲刷出空气。但在平流层，雨云之上，烟灰会滞留。“一旦我们将某些东西放入大气层那一层，它们的影响就会大得多，因为它比我们下面的大气层干净得多，”玛莱说。换句话说，平流层的原始状态使其更容易受到太阳的灼热射线的影响。
黑碳颗粒可以在平流层中停留约两年，然后由于重力作用而落回地面。它们在等待的过程中也会升温：在今年 6 月发表于《地球的未来》杂志上的一项研究中，玛莱和她的同事计算得出，来自火箭的烟灰对空气的增温效率是来自飞机或地表排放物的约 500 倍。
罗斯和美国国家海洋和大气管理局化学科学实验室的研究科学家克里斯托弗·马洛尼（Christopher Maloney） 运行的另一项近期模型得出了关于黑色物质对气候变化影响的类似结论。他们预测，如果未来二十年太空交通量增加十倍，平流层将升温约 3 华氏度（约 1.7 摄氏度）。
马洛尼说，这种上升足以使“平流层动力学[开始]发生变化”。洋流将自然产生的臭氧从较热的热带地区输送到较冷的极地。如果火箭在大多数发射地点所在的北半球上空烤焦一片空气，这种从热到冷的路径可能会被扰乱——扰乱将新鲜臭氧输送到北方的循环。结果是：高纬度地区的臭氧层变薄，平流层整体变暖。
| 选择你的燃料：固体火箭燃料 它是什么？ 固体火箭发动机（SRM）使用粉末和其他点燃的组件来产生推力。对于 NASA 的航天飞机，该混合物包括铝粉和高氯酸铵。其 SLS 火箭使用了相同的配方，并添加了聚丁二烯丙烯腈，这是一种橡胶状化合物，据航天局称，其稠度类似于橡皮擦。 谁在使用它？ NASA 继续使用 SRM，特别是作为助推器。 它有多环保？ 研究人员警告说，这些发动机产生的一些颗粒会使臭氧层变薄。尽管影响不如黑碳显著，但如果火箭交通量继续增加，它可能会导致局部臭氧消耗。 |
估算过去的发射情况有助于澄清这个过程中的一些模糊地带。在今年 7 月发表于《流体物理学》杂志上的一篇论文中，塞浦路斯尼科西亚大学（University of Nicosia）的两位研究人员模拟了 2016 年 SpaceX 猎鹰 9 号火箭的尾气。根据他们的模型，在飞行最初的 2.75 分钟内，该飞行器产生了 116 吨二氧化碳，这相当于约 70 辆汽车一年排放的总量。
图伊认为这些预测验证了他十多年前提出的关于黑碳的担忧——但认为它们不如直接观测那样令人信服。他补充说，“基本上没有取得什么进展，除了更多的模型研究，告诉我们最初的假设是正确的。”他认为，需要的是类似于早期 WB-57 任务的检测方法。例如，安装在宇宙飞船侧面的光谱仪可以测量黑碳。
政策是另一个限制因素。国际航空运输协会（IATA）是一个有影响力的贸易组织，为 航空公司设定了 2050 年碳中和目标，但对于太空领域没有类似的মাত্রা。部分原因是行业内没有同等的领导者或像联邦航空管理局（FAA）这样的监管机构。“我们还没有就如何衡量火箭发动机对环境的影响达成一致，”罗斯说。
| 选择你的燃料：生物燃料 它是什么？ 这些化学物质来自环保来源。例如，英国公司 Orbex 正在改造柴油副产品以生产丙烷。 谁在使用它？ Orbex、BluShift Aerospace 以及其他小型商业团体，其中大多数仍在进行概念验证。 它有多环保？ 可持续性是这类燃料的目标。一位担任 Orbex 顾问的埃克塞特大学（University of Exeter）科学家计算得出，其火箭排放量比使用化石燃料的同类车辆排放量少 86%。 |
虽然有更新的燃料，但没有好方法来确定它们有多环保。即使是最干净的燃料——氢气，也需要额外的能量才能从甲烷或水中提炼成纯分子形式。“情况非常复杂，因为所有推进剂都有环境影响，”普渡大学（Purdue University）研究航空航天推进的斯蒂芬·海斯特（Stephen Heister）说。
大气科学家表示，必须像《蒙特利尔议定书》那样，通过合作来开发保护平流层的解决方案。“应对它的方法是召集有共同利益的人，”图伊说，在造成持久损害之前，找到一条通往太空的可持续途径。
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本文最初发表于《流行科学》的高级版。阅读更多 PopSci+ 文章。
