科學(xué)家擔(dān)心太空旅行的興起可能會以意想不到的方式影響地球氣候

火箭發(fā)射對大氣的影響真的可以忽略不計嗎？

（圖）混合動力火箭發(fā)動機(jī)，如維珍銀河公司火箭飛機(jī)上使用的發(fā)動機(jī)，會排放大量煙塵（圖片來源：維珍銀河）

科學(xué)家們擔(dān)心，越來越多的火箭發(fā)射和太空旅行的興起會危害地球的大氣層并導(dǎo)致氣候變化。

當(dāng)億萬富翁理查德·布蘭森(Richard Branson)和杰夫·貝索斯(Jeff Bezos)各自搭乘自家亞軌道火箭飛向太空時，震驚世界。

但有些科學(xué)家認(rèn)為，這些里程碑事件在代表技術(shù)成就之外還帶來了新的問題。睽違多年幾經(jīng)挫折終于成功發(fā)射，這標(biāo)志著一個期待已久的時代的即將開啟。這將是一個火箭發(fā)射頻率遠(yuǎn)高于今天的時代，穿梭于大氣層的平流層。以布蘭森的維珍銀河公司運營的“太空船二號”為例，這些飛行器使用的混合式引擎燃燒橡膠釋放出煙塵。

“混合動力引擎可以使用多種類型的燃料，但都會產(chǎn)生大量的煙塵，”意大利米蘭理工大學(xué)航空航天工程研究火箭推進(jìn)技術(shù)的副教授菲利波·馬吉這樣說道。幾年前，他所在的團(tuán)隊發(fā)表了一篇關(guān)于混合動力火箭發(fā)動機(jī)排放的廣泛分析文章。他還說道：”這些引擎工作起來就像蠟燭，它們?nèi)紵倪^程給煙塵的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件?！?/p>

據(jù)太空咨詢公司北方天空研究（Northern Sky Research）首席分析師達(dá)拉斯·卡薩博斯基稱，單次維珍銀河亞軌道航天旅行持續(xù)約一個半小時，產(chǎn)生的污染相當(dāng)于一次穿越大西洋的十小時飛行。有些科學(xué)家認(rèn)為這令人不安，因為維珍銀河的野心在于每天多次承載付費游客飛往太空邊緣。

“即使亞軌道旅游市場的發(fā)射次數(shù)只是其他‘旅游業(yè)’發(fā)射次數(shù)的一小部分，但它的每一次發(fā)射都比其他貢獻(xiàn)的排放量要大得多，這會是個問題，”卡薩博斯基對太空網(wǎng)（Space.com）表示。

當(dāng)然，維珍銀河的火箭不是唯一的罪魁禍?zhǔn)住Ｋ腥紵細(xì)淙剂系幕鸺娑紩a(chǎn)生煙塵，馬吉這樣說道。固體火箭引擎，如過去用于NASA航天飛機(jī)助推器的發(fā)動機(jī)，燃燒金屬化合物，并與鹽酸反應(yīng)排放氧化鋁顆粒，這兩種情況都對大氣造成破壞。

另一方面，藍(lán)色起源公司的新謝潑德亞軌道飛行器采用BE-3引擎，結(jié)合了液氫和液氧來產(chǎn)生助推力。據(jù)專家稱，相較于其他火箭發(fā)動機(jī)，BE-3的污染并不是很大，主要排放出水和一些次要的燃燒產(chǎn)物。

這張壯觀的印度洋日落照片是由國際空間站(ISS)上的宇航員拍攝的。這張圖像展示了從軌道上看到的地球大氣層的邊緣，或稱為臨邊觀測。

（圖）火箭污染了原本純凈的大氣層平流層（圖片來源：NASA）

知道的太少

對于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）化學(xué)科學(xué)實驗室的高級科學(xué)家凱倫·羅森洛夫來說，最大的問題是火箭污染了大氣層更高的范圍——即，從大約6.2英里（10千米）平流層的高度開始，一直向上到31英里（50千米）的中間層。

“你正在向你平時不會排放污染的地方排放，”羅森洛夫向太空網(wǎng)表示，“我們真的需要了解，如果我們增加這樣的排放物，潛在的危害是什么？”

根據(jù)經(jīng)常與羅森洛夫合作的航天航空公司大氣科學(xué)家馬丁·羅斯的說法，截至目前，火箭發(fā)射對大氣的影響可以忽略不計，但這只是因為火箭發(fā)射的數(shù)量還沒有那么多。

羅斯向太空網(wǎng)透露：“目前航天業(yè)消耗的燃料量還不到航空業(yè)的1%，所以還沒有太多的研究，情有可原。但情況正在發(fā)生改變，這就需要我們更多的深入研究?！?/p>

卡薩博斯基說，北方天空研究公司預(yù)測未來十年太空旅行的數(shù)量將激增，從不久的將來每年10次到2030年增至每年360次。但這一數(shù)字還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于維珍銀河和藍(lán)色起源等太空旅行公司對自己的預(yù)期增長率。

卡薩博斯基還說道：“亞軌道旅行的需求異常高漲。實際上，這些公司已經(jīng)有客戶在排隊，所以他們想擴(kuò)大規(guī)模。最終，他們會想要在一天內(nèi)飛行數(shù)次，就像短途飛機(jī)一樣?！?/p>

預(yù)計火箭發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入軌道的數(shù)量也會增長。但卡薩博斯基認(rèn)為太空旅行有更大的增長潛力。

他說：“這就像貨機(jī)和客戶的區(qū)別。有更多的乘客期待著飛向太空?！?/p>

在羅斯看來，問題在于科學(xué)界不知道，也沒有足夠的數(shù)據(jù)來告訴我們，火箭發(fā)射將在什么時候開始對地球氣候產(chǎn)生可衡量的影響。而與此同時，隨著火箭發(fā)射次數(shù)默默地增加，平流層就已經(jīng)在發(fā)生變化了。

羅斯表示：“即使以10為單位，這些‘火箭產(chǎn)生’的顆粒所帶來影響的數(shù)量級也尚不知曉。不確定性很大，而我們需要縮小范圍，預(yù)測太空將會怎樣影響大氣層?！?/p>

（圖）固體火箭助推器，如過去用于發(fā)射NASA航天飛機(jī)的那些，會產(chǎn)生有害于臭氧層的物質(zhì)（圖片來源：NASA/比爾·英格斯）

航天飛機(jī)的臭氧空洞

截至目前，對于火箭發(fā)射對大氣層中化學(xué)變化影響的唯一直接測量來自航天飛機(jī)時代。20世紀(jì)90年代，當(dāng)全世界齊心協(xié)力拯救受損的臭氧層時，美國國家航空航天局（NSASA）, 美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）以及美國空軍聯(lián)合開展了一項運動，旨在研究航天飛機(jī)固體燃料助推器排放的氣體對平流層臭氧的影響。

羅斯說道：“在20世紀(jì)90年代，人們對固體火箭助推器產(chǎn)生的氯極其擔(dān)憂。氯有害于平流層臭氧，有些模型顯示固體火箭助推器造成的臭氧消耗將是非常嚴(yán)重的?！?/p>

科學(xué)家們在佛羅里達(dá)州使用NASA的WB57高空飛機(jī)飛越過由航天飛機(jī)火箭產(chǎn)生的羽狀流。高度達(dá)到6萬英尺（1萬9千米），得以測量到火箭劃過后平流層低處的化學(xué)反應(yīng)。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）化學(xué)科學(xué)實驗室主任大衛(wèi)·費伊領(lǐng)導(dǎo)了該研究，他告訴太空網(wǎng)說：“其中一個基本問題是，這些固體火箭推進(jìn)器產(chǎn)生了多少氯以及以什么形式產(chǎn)生。我們經(jīng)過多次測量并對結(jié)果進(jìn)行了分析。當(dāng)時，航天飛機(jī)的發(fā)射還不足以在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，但僅在當(dāng)?shù)貏t會因（火箭發(fā)射遺留下的）羽狀流而消耗臭氧?！?/p>

航天飛機(jī)在10年前退役，但產(chǎn)生破壞臭氧層物質(zhì)的火箭今天還在源源不斷地將人類和衛(wèi)星送往太空。

實際上，在2018年，世界氣象組織在其每四年發(fā)布一次的最新臭氧消耗科學(xué)評估報告中，將火箭列為未來可能關(guān)注的問題。

（圖）火箭助推器在超高空產(chǎn)生污染（圖片來源：維珍銀河）

比地球工程還糟糕

羅森洛夫的團(tuán)隊利用NOAA強(qiáng)大的超級計算機(jī)研究了人造物質(zhì)在大氣層較高層的廣泛影響。這項研究類似于預(yù)測眾所周知的蝴蝶效應(yīng)，即地球上空千尺處空氣化學(xué)成分的微小變化對地球氣候及天氣模式產(chǎn)生的影響。在她看來，燃燒碳?xì)淙剂系幕鸺欧懦龅暮谔炕驘焿m尤其令人擔(dān)憂。

羅森洛夫解釋說：“煙塵的問題在于它會吸收紫外光，從而使平流層升溫。當(dāng)平流層溫度開始升高，也就是（距離地表最近的）對流層上方的那一層，平流層的運動就會隨之改變，也就是能量轉(zhuǎn)移將會發(fā)生改變，從而可能會影響到地表上正在發(fā)生的一切。”

羅森洛夫指出，火箭產(chǎn)生的粒子已經(jīng)引起了科學(xué)家們的注意，因為它們可能會在不同的背景下對全球氣候產(chǎn)生影響——地球工程，即有意干預(yù)大氣以達(dá)到阻止或緩解全球變暖的目的。

羅森洛夫最近與人合著了一篇論文，同樣運用到了NOAA強(qiáng)大的超級計算機(jī)來模擬科學(xué)家們所謂的氣候干預(yù)。該團(tuán)隊致力于研究二氧化硫顆粒與平流層下部的煙塵（火箭排放的一部分）一起擴(kuò)散對氣候的影響。眾所周知，二氧化硫顆粒會反射光線遠(yuǎn)離地球。煙塵從陽光中吸收能量，并通過加熱周圍的空氣將二氧化硫氣溶膠顆粒推到更高的高度。在這個較高的高度，二氧化硫可以開始?xì)夂蚪禍毓ぷ鳌Ｔ搶嶒災(zāi)M了10天內(nèi)當(dāng)飛機(jī)在對流層上層釋放110萬噸反射陽光的二氧化硫和1.1萬噸黑炭混合后會發(fā)生什么。

該實驗沒有發(fā)現(xiàn)對地球氣候有任何顯著的負(fù)面影響。但是這些結(jié)果并沒有打消羅森洛夫?qū)鸺l(fā)射次數(shù)不斷增加可能帶來風(fēng)險的擔(dān)憂。

改變噴射流

羅森洛夫說：“我們所做的地球工程實驗中產(chǎn)生的黑炭沒有火箭排放的量大。但問題是，你飛的越高，這些東西持續(xù)的時間就越長。這兩種都是不理想的，因為任何一種方式都會在我們現(xiàn)在沒有加熱的地方產(chǎn)生熱量?！?/p>

馬吉談到，混合動力火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的煙塵顆粒極其微小而且重量很輕。事實上，當(dāng)他和他的同事們試圖在實驗室里測量混合動力火箭發(fā)動機(jī)的煙塵顆粒輸出時，由于顆粒的微小尺寸，他們無法精確地的量出可靠的數(shù)據(jù)。

馬吉說：“我們能夠測量固體火箭推動器的顆粒排放。它們大約有一微米大小，而且量很大。但是因為它們很大，落地的速度也更快。但在混合動力火箭發(fā)動機(jī)中，我們卻無法收集羽狀流排放的煙塵，因為顆粒過于微小，通常只有幾納米。”

馬吉甚至擔(dān)心這些顆粒也許會永遠(yuǎn)留在平流層。

馬吉還說道：“這些顆粒的大小和飛機(jī)排放的碳相同。我們知道在飛機(jī)的巡航高度給大氣層留下了一層碳層。而火箭推動器排放的顆粒很有可能會重蹈覆轍?！?/p>

經(jīng)年累月的顆粒積累讓科學(xué)家們感到擔(dān)憂。就像隨著碳排放到大氣中的量不斷增加氣候危機(jī)才慢慢開始一樣，平流層中的污染可能只會在幾年后才開始造成危害。

羅森洛夫還談到，從長遠(yuǎn)來看，污染物進(jìn)入平流層可能會改變極地噴射流，進(jìn)而改變冬季風(fēng)暴模式或影響平均降雨量。

羅森洛夫說：“可能有些地方會從每年25英寸（64厘米）降到每年20英寸（51厘米），這聽起來可能不是什么大事。但如果你是當(dāng)?shù)胤N植小麥的農(nóng)民，就會發(fā)現(xiàn)降雨的細(xì)微變化都會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量?！?/p>

待辦事項

費伊說，正因為這樣，現(xiàn)在開始科學(xué)工作評估未來的風(fēng)險是至關(guān)重要的。

他談到：“這是一個根本的鴻溝，我們沒有數(shù)據(jù)，這意味著科學(xué)受限，因為我們?nèi)鄙傩畔?。我們認(rèn)為，評估人類活動對平流層的影響是我們（NOAA）的部分責(zé)任?；鸺牵ㄆ搅鲗游廴镜模┲饕臀ㄒ粊碓?，其影響會隨著發(fā)射頻率的增加而累積?！?/p>

費伊籌劃了一項更廣泛的研究項目，分析不同類型的火箭發(fā)動機(jī)和燃料的排放以及對平流層的影響。這些數(shù)據(jù)可以用在羅森洛夫的模型中，根據(jù)發(fā)射數(shù)量的預(yù)期增加更好地預(yù)測其影響。然而，費伊表示，出于政治決策要優(yōu)先提供給NOAA及其基金合伙方，使其能夠再次出動高空飛機(jī)采集數(shù)據(jù)。他還提到，值得高興的是，美國國會似乎意識到了這個問題，事情可能很快就會開始發(fā)生變化。

他說：“我們希望看到一項由NOAA或者美國空軍領(lǐng)導(dǎo)的國家項目，基于觀測結(jié)果建立起數(shù)據(jù)庫，記錄現(xiàn)代推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)排放特征。我們不但可以在地面測試中收集數(shù)據(jù)，還可以在空中——就像我們在航天飛機(jī)上做的那樣，在發(fā)射后穿越羽狀流?！?/p>

重新進(jìn)入巨型星座衛(wèi)星造成的空氣污染可能會導(dǎo)致2.0版臭氧層空洞

BY: Tereza Pultarova

FY:大C

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處