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翻译：张瀚之
校对：牧夫校对组
编排：陶邦惠
后台：朱宸宇
原文链接：https://phys.org/news/2026-03-space-chemistry-earth-atmosphere.html
图片来源：Pixabay/CC0 Public Domain
在一个晴朗的夜晚抬头仰望时，我们也许会看到一道道划过天空的光轨。那是人类进入新太空时代的痕迹。但肉眼看不到的是，这些活动正在给我们的大气层带来越来越明显的影响。
那就是，大量卫星的发射与再进入，正在改变中层和高层大气的化学成分以及物理结构。
研究人员表示航天活动可能带来一系列后果包括但不限于臭氧层被削弱，平流层升温，以及航天器燃烧后形成新的金属气溶胶。更令人担忧的是，这种污染也随着我们的航天活动越来越多。如果我们不重新设计卫星的使用与退役方式，那很有可能急剧地加速大气污染。
问题在于，大多数卫星在寿命结束时都会被安排脱离轨道。进入大气层后，它们会被加热到数千摄氏度并迅速解体，相当于在大气中自毁。不过，现在也有越来越多的尝试希望延长卫星的在轨寿命，例如通过为卫星补充燃料。另一种思路是让卫星以更温和的方式离轨，这样部分组件就有机会被回收再利用。
仅仅在过去的2024年和2025年，轨道发射次数就不断地刷新纪录，各家公司竞相建立、更新大型卫星，用来提供比如全球互联网接入这种服务。
SpaceX 的星链就是其中最典型的例子。独立统计显示，2024年的发射次数约在259到271次之间，而2025年则超过315次，其中很大一部分来自商业宽带卫星网络。如此高的发射频率意味着前所未有的再入，以及数以千计的卫星最终会在大气层中解体…
研究人员估计，到2030年代，每年再入大气层的卫星可能会向中层大气释放数千到数万吨氧化铝和其他各种金属物质。
有可能你会问了，为什么这很重要？因为氧化铝能够催化破坏臭氧层的化学反应，而臭氧层正是保护地表免受有害太阳辐射的重要屏障。同时，火箭排放的尾气，尤其是由碳氢燃料火箭发动机产生的黑碳烟尘会使平流层升温，并改变大气环流。
模型研究表明，随着航天发射数量的增加，全球臭氧层厚度可能会出现大量的下降，并可能延缓臭氧层的恢复。而臭氧层恢复正是《蒙特利尔议定书》的重要成果（这是1987年达成的国际协议，希望人类可以减少使用破坏臭氧层的化学物质。）
更可怕的是，科学家现在已经在大气中检测到了航天发射留下的化学痕迹。科研飞机在平流层颗粒中已经采集到了铝、铜、锂等，这些成分与火箭发射和卫星再入产生的物质相吻合。
✦ 问题不仅仅是看起来这么简单
用烧这种方式处理退役航天器，确实能清理轨道，但却可能把轨道碎片问题转变为大气污染问题。
一项研究预测，到2040年，卫星再入产生的氧化铝数量可能与流星尘埃正相关，然后也改变了极地地区的温度和风场，而这些区域恰恰也是臭氧化学反应最敏感的地方。
独立分析还表明，在航天活动快速增长的情景下，火箭排放的黑碳可能使平流层升温数摄氏度，并减缓急流的速度。这很难不让人们对它们带来的气候变化和臭氧效应担忧。
而且，地面也有类似的风险存在。虽然单个碎片坠落造成人员伤害的概率仍然非常低，但随着再入事件不断增加，整体风险也在逐步上升。因此，一些专家呼吁对不可控再入制定更严格的限制。
天文学界都已经感受到压力：模拟结果显示，如果卫星在本十年末达到预期规模，一些空间和地面天文台拍摄的大量图像将会被卫星轨迹污染，因为越来越多的卫星会穿过望远镜的视场。
✦ 有没有什么解决办法？
事实上，还有另一种发展路径。所谓太空循环经济，借鉴的就是我们地球上现代废弃物管理的理念：尽可能延长产品使用寿命、减少污染，并在寿命结束时回收其中的价值。我们的研究表明，这不仅在技术上可行，而且在经济上也具有吸引力。
这一方向正是2025年成立的南安普顿太空研究所重点探索的内容。我和同事估算，轨道碎片中可回收材料的价值可能达到5700亿美元到1.2万亿美元之间，总质量约为5312到19124吨。这样的经济潜力足以推动技术和市场的发展，把太空垃圾转变为可再利用的原料或组件。
此外，还可以通过在轨服务来延长卫星寿命，例如在燃料不足时为其补充推进剂。诺斯罗普·格鲁曼公司的任务延寿飞行器已
主动清除太空碎片同样是一个重要方向。欧洲航天局的 ClearSpace1 项目计划在2029年首次演示捕获并使太空碎片脱轨的任务。英国的 Clear 任务也计划清除多件太空碎片，相当于进行一次太空垃圾清理，从而降低它们与卫星发生碰撞的风险。
未来的卫星和火箭应该在设计时就考虑维修、加注燃料以及温和离轨，这样其中的部件就能够回收和再利用。同时，材料选择也可以减少在大气中产生破坏臭氧层的残留物。
政策也可以发挥作用。比如，要求制造商对产品整个生命周期负责（所谓的生产者延伸责任。）此外，还可以设置经济激励，例如为成功使卫星离轨的公司提供可退还保证金，并在许可条件中鼓励卫星维修而不是直接处置。
目前这一领域的科学研究仍在发展之中。我们需要对中层大气中的烟尘、氧化铝和金属颗粒进行更系统的观测和建模。不过趋势已经很清楚：如果航天活动持续高速增长，频繁的发射和卫星燃烧解体可能会减缓臭氧层恢复，并改变平流层结构。而在更合理的循环经济模式下，我们则有机会保持更清洁的天空。
换句话说，我们面临两种选择，一种是继续发射、燃烧并污染大气，或者建立一个能够延长卫星寿命、提供维修并回收部件的太空循环经济体系。
如果我们能够做出正确的选择，未来我们还可能拥有黑暗、加宁静的夜空，同时也拥有一个可持续发展的太空产业。到时我们或许会疑惑为啥我们曾经认为把卫星直接丢在太空中是个好主意？
责任编辑：郭皓存
牧夫新媒体编辑部