什麼時候才能在太空旅行（或是地球氣候的噩夢）

2023-06-27 07:56:35 3

科學家擔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

火箭發射對大氣的影響真的可以忽略不計嗎？

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

科學家們擔心，越來越多的火箭發射和太空旅行的興起會危害地球的大氣層並導致氣候變化。

當億萬富翁理察·布蘭森(Richard Branson)和傑夫·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。

但有些科學家認為，這些裡程碑事件在代表技術成就之外還帶來了新的問題。睽違多年幾經挫折終於成功發射，這標誌著一個期待已久的時代的即將開啟。這將是一個火箭發射頻率遠高於今天的時代，穿梭於大氣層的平流層。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，但都會產生大量的煙塵，」義大利米蘭理工大學航空航天工程研究火箭推進技術的副教授菲利波·馬吉這樣說道。幾年前，他所在的團隊發表了一篇關於混合動力火箭發動機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，它們燃燒的過程給煙塵的產生創造了有利條件。「

據太空諮詢公司北方天空研究（Northern Sky Research）首席分析師達拉斯·卡薩博斯基稱，單次維珍銀河亞軌道航天旅行持續約一個半小時，產生的汙染相當於一次穿越大西洋的十小時飛行。有些科學家認為這令人不安，因為維珍銀河的野心在於每天多次承載付費遊客飛往太空邊緣。

「即使亞軌道旅遊市場的發射次數只是其他『旅遊業』發射次數的一小部分，但它的每一次發射都比其他貢獻的排放量要大得多，這會是個問題，」卡薩博斯基對太空網（Space.com）表示。

當然，維珍銀河的火箭不是唯一的罪魁禍首。所有燃燒碳氫燃料的火箭引擎都會產生煙塵，馬吉這樣說道。固體火箭引擎，如過去用於NASA太空梭助推器的發動機，燃燒金屬化合物，並與鹽酸反應排放氧化鋁顆粒，這兩種情況都對大氣造成破壞。

另一方面，藍色起源公司的新謝潑德亞軌道飛行器採用BE-3引擎，結合了液氫和液氧來產生助推力。據專家稱，相較於其他火箭發動機，BE-3的汙染並不是很大，主要排放出水和一些次要的燃燒產物。

這張壯觀的印度洋日落照片是由國際空間站(ISS)上的太空人拍攝的。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）火箭汙染了原本純淨的大氣層平流層（圖片來源：NASA）

知道的太少

對於美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）化學科學實驗室的高級科學家凱倫·羅森洛夫來說，最大的問題是火箭汙染了大氣層更高的範圍——即，從大約6.2英裡（10千米）平流層的高度開始，一直向上到31英裡（50千米）的中間層。

「你正在向你平時不會排放汙染的地方排放，」羅森洛夫向太空網表示，「我們真的需要了解，如果我們增加這樣的排放物，潛在的危害是什麼？」

根據經常與羅森洛夫合作的航天航空公司大氣科學家馬丁·羅斯的說法，截至目前，火箭發射對大氣的影響可以忽略不計，但這只是因為火箭發射的數量還沒有那麼多。

羅斯向太空網透露：「目前航天業消耗的燃料量還不到航空業的1%，所以還沒有太多的研究，情有可原。但情況正在發生改變，這就需要我們更多的深入研究。」

卡薩博斯基說，北方天空研究公司預測未來十年太空旅行的數量將激增，從不久的將來每年10次到2030年增至每年360次。但這一數字還遠遠低於維珍銀河和藍色起源等太空旅行公司對自己的預期增長率。

卡薩博斯基還說道：「亞軌道旅行的需求異常高漲。實際上，這些公司已經有客戶在排隊，所以他們想擴大規模。最終，他們會想要在一天內飛行數次，就像短途飛機一樣。」

預計火箭發射衛星進入軌道的數量也會增長。但卡薩博斯基認為太空旅行有更大的增長潛力。

他說：「這就像貨機和客戶的區別。有更多的乘客期待著飛向太空。」

在羅斯看來，問題在於科學界不知道，也沒有足夠的數據來告訴我們，火箭發射將在什麼時候開始對地球氣候產生可衡量的影響。而與此同時，隨著火箭發射次數默默地增加，平流層就已經在發生變化了。

羅斯表示：「即使以10為單位，這些『火箭產生』的顆粒所帶來影響的數量級也尚不知曉。不確定性很大，而我們需要縮小範圍，預測太空將會怎樣影響大氣層。」

（圖）固體火箭助推器，如過去用於發射NASA太空梭的那些，會產生有害於臭氧層的物質（圖片來源：NASA/比爾·英格斯）

太空梭的臭氧空洞

截至目前，對於火箭發射對大氣層中化學變化影響的唯一直接測量來自太空梭時代。20世紀90年代，當全世界齊心協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）以及美國空軍聯合開展了一項運動，旨在研究太空梭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90年代，人們對固體火箭助推器產生的氯極其擔憂。氯有害於平流層臭氧，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重的。」

科學家們在佛羅裡達州使用NASA的WB57高空飛機飛越過由太空梭火箭產生的羽狀流。高度達到6萬英尺（1萬9千米），得以測量到火箭划過後平流層低處的化學反應。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）化學科學實驗室主任大衛·費伊領導了該研究，他告訴太空網說：「其中一個基本問題是，這些固體火箭推進器產生了多少氯以及以什麼形式產生。我們經過多次測量並對結果進行了分析。當時，太空梭的發射還不足以在全球範圍內產生影響，但僅在當地則會因（火箭發射遺留下的）羽狀流而消耗臭氧。」

太空梭在10年前退役，但產生破壞臭氧層物質的火箭今天還在源源不斷地將人類和衛星送往太空。

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

（圖）火箭助推器在超高空產生汙染（圖片來源：維珍銀河）

比地球工程還糟糕

羅森洛夫的團隊利用NOAA強大的超級計算機研究了人造物質在大氣層較高層的廣泛影響。這項研究類似於預測眾所周知的蝴蝶效應，即地球上空千尺處空氣化學成分的微小變化對地球氣候及天氣模式產生的影響。在她看來，燃燒碳氫燃料的火箭排放出的黑炭或煙塵尤其令人擔憂。

羅森洛夫解釋說：「煙塵的問題在於它會吸收紫外光，從而使平流層升溫。當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，也就是能量轉移將會發生改變，從而可能會影響到地表上正在發生的一切。」

羅森洛夫指出，火箭產生的粒子已經引起了科學家們的注意，因為它們可能會在不同的背景下對全球氣候產生影響——地球工程，即有意幹預大氣以達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強大的超級計算機來模擬科學家們所謂的氣候幹預。該團隊致力於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）一起擴散對氣候的影響。眾所周知，二氧化硫顆粒會反射光線遠離地球。煙塵從陽光中吸收能量，並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，二氧化硫可以開始氣候降溫工作。該實驗模擬了10天內當飛機在對流層上層釋放110萬噸反射陽光的二氧化硫和1.1萬噸黑炭混合後會發生什麼。

該實驗沒有發現對地球氣候有任何顯著的負面影響。但是這些結果並沒有打消羅森洛夫對火箭發射次數不斷增加可能帶來風險的擔憂。

改變噴射流

羅森洛夫說：「我們所做的地球工程實驗中產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在沒有加熱的地方產生熱量。」

馬吉談到，混合動力火箭發動機產生的煙塵顆粒極其微小而且重量很輕。事實上，當他和他的同事們試圖在實驗室裡測量混合動力火箭發動機的煙塵顆粒輸出時，由於顆粒的微小尺寸，他們無法精確地的量出可靠的數據。

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動機中，我們卻無法收集羽狀流排放的煙塵，因為顆粒過於微小，通常只有幾納米。」

馬吉甚至擔心這些顆粒也許會永遠留在平流層。

馬吉還說道：「這些顆粒的大小和飛機排放的碳相同。我們知道在飛機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。」

經年累月的顆粒積累讓科學家們感到擔憂。就像隨著碳排放到大氣中的量不斷增加氣候危機才慢慢開始一樣，平流層中的汙染可能只會在幾年後才開始造成危害。

羅森洛夫還談到，從長遠來看，汙染物進入平流層可能會改變極地噴射流，進而改變冬季風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釐米）降到每年20英寸（51釐米），這聽起來可能不是什麼大事。但如果你是當地種植小麥的農民，就會發現降雨的細微變化都會影響農作物的產量。」

待辦事項

費伊說，正因為這樣，現在開始科學工作評估未來的風險是至關重要的。

他談到：「這是一個根本的鴻溝，我們沒有數據，這意味著科學受限，因為我們缺少信息。我們認為，評估人類活動對平流層的影響是我們（NOAA）的部分責任。火箭是（平流層汙染的）主要和唯一來源，其影響會隨著發射頻率的增加而累積。」

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動機和燃料的排放以及對平流層的影響。這些數據可以用在羅森洛夫的模型中，根據發射數量的預期增加更好地預測其影響。然而，費伊表示，出於政治決策要優先提供給NOAA及其基金合夥方，使其能夠再次出動高空飛機採集數據。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生變化。