當已發射了數千顆提供網路服務的衛星的使用壽命結束時，它們在地球大氣層中焚燒產生的殘留物將引發化學反應，消耗平流層臭氧。當過時的衛星重返地球大氣層並解體時，它們會釋放出細小的氧化鋁顆粒，這些顆粒會侵蝕地球的臭氧層。最近的一項研究顯示，從2016 年到2022 年，這些微粒的存在量激增了八倍，隨著低地軌道衛星數量的不斷增加，預計還會繼續上升。

數以千計的衛星被部署到”巨型恆星”中，以滿足對全球互聯網服務日益增長的需求，還有更多的衛星計劃在不久後發射。然而，這些小巧的衛星運作壽命很短，在重返大氣層時會釋放出對臭氧層有害的污染物。最近發表在《地球物理研究快報》上的一項研究首次量化了這種污染的程度。圖片來源：SpaceX/公有領域

1987 年《蒙特婁議定書》成功管制了破壞臭氧層的氯氟化碳，保護了臭氧層，縮小了南極上空的臭氧空洞，並有望在未來五十年內恢復。然而，氧化鋁的意外增加可能會打斷未來幾十年在臭氧恢復方面的進展。

在低地球軌道上的8100 個物體中，有6000 個是過去幾年發射的Starlink 衛星。對全球互聯網覆蓋的需求推動了小型通訊衛星群發射的快速增長。 SpaceX公司是這項事業的領導者，已獲準發射另外12,000 顆Starlink 衛星，計畫發射多達42,000 顆衛星。研究報告的作者說，亞馬遜和全球其他公司也在計畫發射3,000 到13,000 顆衛星。

低地球軌道上的網路衛星壽命很短，約5 年。隨後，公司必須發射替代衛星來維持網路服務，這延續了計畫內淘汰和計畫外污染的循環。

氧化鋁引發的化學反應會破壞平流層臭氧，而臭氧可以保護地球免受有害紫外線的輻射。氧化鋁不會與臭氧分子發生化學反應，而是引發臭氧和氯之間的破壞性反應，從而消耗臭氧層。由於氧化鋁不會被這些化學反應消耗掉，因此它們可以在平流層中漂移數十年，繼續破壞一個又一個臭氧分子。

然而，人們很少關注衛星落入高層大氣並燃燒時形成的污染物。早期對衛星污染的研究主要集中在將運載火箭推進太空的後果上，如火箭燃料的釋放。這項新研究由南加州大學維特比工程學院的研究小組完成，作者說，這是高層大氣中這種長壽命污染程度的首次實際估計。

新研究的通訊作者、南加州大學宇航學研究員約瑟夫-王（Joseph Wang）說：”直到最近幾年，人們才開始認為這可能會成為一個問題。我們是最早研究這些事實可能帶來的影響的團隊之一。

這項研究發表在開放取用的AGU 期刊《地球物理研究快報》上，該期刊發表的都是影響力大、格式短小、對地球和太空科學有直接影響的報告。

由於實際上不可能從正在燃燒的太空船上收集數據，先前的研究使用對微流星體的分析來估計潛在的污染。但是微流星體中的鋁含量很少，而鋁是佔大多數衛星質量15%-40%的金屬，因此這些估計值並不適用於新的”蜂群”衛星。

為了更準確地了解衛星重返大氣層所造成的污染，研究人員對衛星材料的化學成分和內部鍵在分子和原子層面的相互作用進行了建模。研究結果讓研究人員了解了材料在不同能量輸入下的變化。

研究人員發現，2022 年，重返大氣層的衛星使大氣中的鋁含量比自然增加了29.5%。建模顯示，一顆典型的250 公斤（550 磅）衛星如果有30% 的質量是鋁，那麼它在重返大氣層的過程中將產生約30 公斤（66 磅）的奈米氧化鋁顆粒（大小為1-100 奈米）。這些微粒大多產生於距離地球表面50-85 公里（30-50 英里）的中間層。

研究團隊隨後根據顆粒大小計算出，氧化鋁需要長達30 年的時間才能漂移到平流層高度，而地球上90% 的臭氧都位於平流層。

研究人員估計，到目前計畫的衛星星座完成時，每年將有912 公噸（1,005 美噸）鋁落到地球上。這將每年向大氣層釋放約360 公噸（397 美噸）氧化鋁，比自然增加646%。

編譯來源：ScitechDaily

DOI: 10.1029/2024gl109280