溫室氣體不僅使我們的地球變暖，還在重塑太空本身。 隨著排放物的冷卻和熱層的縮小，衛星受到的阻力減少，使更多的太空垃圾得以在軌道上徘徊。每年都有數以千計的新衛星發射升空，這種擁擠狀況可能會導致軌道交通堵塞，增加災難性碰撞的風險。 專家預測，如果排放繼續無法控制，到2100 年，太空將變得如此擁擠，以至於未來的任務難以為繼。

這張長時間曝光的照片由太空人唐-佩蒂特（Don Pettit）在國際太空站（ISS）上拍攝，展示了地球城市的燈光、高層大氣的氣流和條紋狀的星星。 中心的亮光是SpaceX 的Starlink 衛星在低地球軌道上反射的陽光。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

縮小的太空： 溫室氣體威脅衛星的永續性

麻省理工學院（MIT）的航空航天工程師發現，溫室氣體排放正在改變近地空間，而這種變化可能會大大減少能夠在那裡長期可持續運行的衛星數量。

他們的研究發表在Nature Sustainability上，揭示了二氧化碳和其他溫室氣體正在導致高層大氣收縮。 這種效應在熱層尤其令人擔憂，而熱層正是包括國際太空站在內的大多數衛星運作的區域。 隨著熱層的收縮，空氣密度會降低，進而減少大氣阻力。 通常，這種阻力有助於清除太空碎片，將舊衛星和垃圾拉到低空，在重返大氣層時燃燒殆盡。

太空垃圾危機： 為什麼阻力越小越麻煩？

阻力減少，空間碎片在軌道上停留的時間就會延長，增加擁擠程度和碰撞風險。

為了了解長期影響，麻省理工學院的研究團隊對碳排放如何影響高層大氣和軌道動力學進行了模擬。 他們的模型預測，到2100 年，由於大氣層的變化，”衛星承載能力”–能夠在低地球軌道上安全運行的衛星數量–可能會減少50% 到66%。

氣候變遷與太空運作： 微妙的平衡

研究報告的作者、麻省理工學院航空航天系（AeroAstro）副教授理查德-利納雷斯（Richard Linares）說：”過去100 年來，我們在地球上使用溫室氣體的行為對未來100 年的衛星運行方式產生了影響。”

第一作者威廉-帕克（William Parker）是航空航天專業的研究生，他補充說：”由於氣候變遷打破了大氣層的現狀，高層大氣正處於脆弱狀態。與此同時，發射的衛星數量也在大幅增加，尤其是用於從太空提供寬頻互聯網的衛星。如果我們不小心管理這些活動並努力減少排放，太空可能會變得過於擁擠，導致更多的碰撞和碎片。”

這項研究的共同作者包括伯明翰大學的馬修布朗（Matthew Brown）。

Skyfall： 熱層的自然週期與人類影響

熱層每11 年自然收縮和膨脹一次，以應對太陽的常規活動週期。 當太陽活動較弱時，地球接收到的輻射較少，其最外層大氣會暫時冷卻和收縮，然後在太陽活動最強時再次膨脹。

1990 年代，科學家想知道熱層對溫室氣體會有什麼反應。 他們的初步建模顯示，雖然溫室氣體在低層大氣中捕獲熱量，我們在低層大氣中感受到全球暖化和天氣變化，但同樣的溫室氣體在更高的高度輻射熱量，有效地冷卻了熱層。 研究人員預測，隨著這種冷卻，熱層應該會縮小，從而降低高空的大氣密度。

追蹤大氣變化： 衛星揭示大氣變化

在過去的十年中，科學家們已經能夠測量衛星阻力的變化，這提供了一些證據，表明熱大氣層的收縮不僅僅是太陽11年自然週期的反應。

帕克說：”天空真的在下降–只是下降的速度只有幾十年的規模。我們可以從衛星所受阻力的變化中看出這一點。”

麻省理工學院的研究團隊想知道，這種反應將如何影響能夠在地球軌道上安全運行的衛星數量。 目前，有超過10,000 顆衛星在低地軌道上漂移，低地軌道是指距離地球表面1200 英里（或2000 公里）以內的空間區域。 這些衛星提供基本服務，包括網路、通訊、導航、天氣預報和銀行業務。 近年來，衛星數量急劇增加，這要求操作人員定期進行避免碰撞的操作，以確保安全。 任何碰撞都會產生碎片，這些碎片會在軌道上停留數十年或幾百年，增加與新舊衛星後續碰撞的幾率。

帕克說：”過去五年發射的衛星數量超過了前60 年發射衛星數量的總和。我們試圖了解的一個關鍵問題是，我們今天所走的道路是否可持續。”

擁擠的”外殼”： 模擬空間交通的未來

在新研究中，研究人員模擬了下個世紀不同的溫室氣體排放情景，以研究對大氣密度和阻力的影響。 對於每個”外殼”或感興趣的高度範圍，研究人員根據外殼內物體的數量模擬了軌道動力學和衛星碰撞風險。 他們用這種方法來確定每個外殼的”承載能力”–這個術語通常用於生態學研究，描述生態系統所能支持的個體數量。

帕克解釋說：”我們正在利用承載能力的概念，將其轉化為空間可持續性問題，以了解低地球軌道能夠支持多少顆衛星。”

研究小組比較了幾種情況：一種情況是溫室氣體濃度保持在2000 年的水平，另一種情況是根據政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）的”共享社會經濟路徑”（SSPs）改變排放量。 他們發現，排放量持續增加的情境將導致整個低地軌道的承載能力大大降低。

失控的不穩定性： 前方的連續碰撞

特別是，研究小組估計，到本世紀末，與排放量維持在2000 年水準的情況相比，可安全容納在200 和1000 公里高度範圍內的衛星數量可能會減少50% 至66%。 研究人員預測，如果衛星容量被超過，即使是在一個局部地區，該地區也會出現”失控不穩定性”，或一連串的碰撞，從而產生大量碎片，使衛星無法再在那裡安全運行。

研究小組預測，2100 年之前，大氣層中的某些空殼已經擠滿了衛星，尤其是最近的”巨型星群”，如太空探索技術公司（SpaceX）的星鏈（Starlink），該星群由數千顆小型互聯網衛星組成。

利納雷斯說：”巨型人造衛星星座是一種新趨勢，我們發現，由於氣候變化，我們的軌道容量將會減少。而在局部地區，我們如今已接近這一容量值。”

「我們依靠大氣層來清理碎片。 如果大氣層正在發生變化，那麼碎片環境也會發生變化，」帕克補充說。 “軌道碎片的長期前景嚴重依賴於遏制我們的溫室氣體排放”。

編譯自/ ScitechDaily