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可以肯定的是,这一数字正在快速增长!这将成为一个麻烦的问题。
上图:环绕地球运行的卫星数量呈指数级增长。
曾经,人造卫星在近地轨道(LEO)上非常罕见。在20世纪50年代太空时代的开端,只有少数几颗人造卫星在围绕着地球旋转。但现在,有成千上万颗卫星围绕着地球,还有更多的卫星正等着加入它们。
那么,能有确切的数字吗?有多少卫星在绕地球轨道运行,又有多少卫星在不久的将来可能加入其中?一旦所有这些卫星都进入太空,它们可能会造成什么类型的问题?
1957年,苏联发射了世界上第一颗人造卫星Sputnik后,缓慢但稳定的人造卫星进入了近地轨道(LEO),直到2010年代,每年都有10到60颗卫星发射。但自那以后,这一速度飙升,2020年有1300多颗新卫星发射到 LEO,2021年发射了1400多颗卫星。根据联合国的外层空间物体指数,截至2021年9月,近地轨道(LEO)总共有大约7500颗活跃的卫星。
拥挤的市场
近地轨道(LEO)中的卫星数量,将在未来几十年继续以指数级的速度增长,该区域距地球最远可达1424英里(2000 公里)。这是因为,世界各国的私营公司正在建立自己的巨型星座,每个星座都包含数千颗单独的卫星,用于开发更快的在线网络并提供一系列其他服务,例如监测气候变化。
上图:SpaceX的星座。
不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)的天文学家亚伦·博利(Aaron Boley)表示,现在这种活动增加的主要原因是成本下降。我们知道,SpaceX、OneWeb、亚马逊和StarNet/GW(中国的卫星网络)已经提出了合计65000颗卫星的计划,包括他们的卫星项目的所有阶段,总共会有超过10万颗卫星被提出。
2021年10月,甚至卢旺达也宣布了自己的巨型星座,名为“Cinnamon”,可能包含32万颗卫星。目前,尚不清楚这个项目何时会成为现实,但卢旺达航天局(Rwanda Space Agency)在推特上表示,该国已请求启动该项目。
然而,所有这些新卫星都伴随着一系列新问题,2021年5月由亚伦·博利共同领导的一项关于巨型星座的研究强调了这一点,该研究发表在《科学报告》杂志上。
亚伦·博利说:“现实问题是,它会造成太空交通管理问题,它会加剧太空碎片的扩散,它会干扰天文学和观星,火箭发射和再入会造成大气污染。目前,我们仍在努力了解这些影响的程度。”
空间交通和碎片
在未来的几十年里,随着越来越多的卫星被发射到轨道上,碰撞的数量和随之而来的空间碎片可能会飙升。近地轨道上已经有至少1.28亿个碎片。据伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum)的数据,其中超过4英寸(10厘米)的碎片约有3.4万件,未来还会有更多。
那么多卫星的安全运行将是一个重大挑战。在一个特定轨道上发生的事故,会产生大量的空间碎片,有可能影响到更大范围的轨道。而且,碰撞并不是太空垃圾的唯一来源。卫星在近地轨道长时间暴露在强烈的紫外线辐射下,也会损坏。
空间碎片有可能对其他卫星以及其他航天器造成重大损害。2021年6月,国际空间站被一块碎片击中,在机器人手臂上扎了一个洞。幸运的是,空间站和里面的宇航员避免了任何重大损坏。
最终,近地轨道卫星的数量可能会导致失控的碰撞链,将空间碎片分散到近地轨道周围,使我们无法发射新的火箭。这种可能性被称为“凯斯勒症候群”(Kessler Syndrome),许多天文学家担心,如果我们不能控制住太空碎片,这可能会阻止人类成为一个多星球物种。
天文学家亚伦·博利解释道:“凯斯勒效应不会有一个明确的开始。相反,由于碎片生成和碎片清除率的不平衡,这是一个渐进的过渡。”但他补充说,一些证据已经表明,为了避免凯斯勒症候群的发生,有必要主动清除 LEO 的碎片。
上图:一个艺术家对凯斯勒综合症的描绘。
然而,现实情况是,从近地轨道(LEO)上清除空间碎片,在后勤上是极具有挑战性。而且,目前仍然没有达成一致的清除方法。
发射和重返大气层
与航空业等其他行业相比,航天工业的碳足迹要低得多。据报道,平均一次火箭发射会向地球大气中释放220到330吨的碳。相比之下,长途商业航班平均每位乘客排放约2至3吨的碳,而每年有数千万次航班。
然而,随着发射卫星所需火箭的高需求增加,火箭发射的碳排放,每年将增加5.6%。
造成环境问题的不仅仅是卫星发射。当卫星最终脱离轨道并重新进入地球大气层时,它们也会向大气中释放化学物质。
研究表明,在未来,卫星重返大气层时,可能会比陨石在地球大气层中沉积更多的某些元素,比如铝。科学家们还不确定这可能会产生什么潜在的影响,但人类造成的大气化学变化,比如导致臭氧层空洞的气溶胶释放的氯氟烃(CFC),往往不会有好的结局。
此外,随着卫星重新进入大气层,它们也可能对地面造成重大破坏。然而,现代卫星的设计是在重返大气层时将其分解成更小的碎片,因此到达地面的材料较少。而且,通常情况下,坠落的太空垃圾会降落在覆盖地球表面约71%的水中。
光污染
在未来,从地球上可以清楚地看到卫星活动的增加。这些金属物体将像镜子一样,将光线反射回地球表面,它们的数量将彻底改变我们对夜空的看法。
根据一项关于光污染的研究(于2021年9月发布到arXiv数据库,并提交给《天文杂志》),揭示出,未来夜空中多达8%的光可能来自卫星。该研究还发现,由于拟议卫星的轨道,北纬50度和南纬50度附近的地区,如不列颠哥伦比亚省和巴塔哥尼亚,可能比其他地区受到卫星光污染的影响更严重。
上图:卫星将光线反射回地球,这会改变我们对夜空的看法。
在未来,天空中每10颗“星星”中就有1颗是卫星,这将“不断导致天空重新排列”。这些卫星不仅会干扰业余天文爱好者的观测,也会干扰专业天文学家的观测。一些天文研究只能看到中度的影响,但对广域调查的影响可能是巨大的。
找到一个平衡点
很明显,预测的卫星进入低地球轨道的速度是不可持续的,但卫星也为我们提供了重要的服务。我们与卫星有着很深的联系,卫星在我们的供应链、金融交易、天气监测、气候科学、全球通信和搜救中发挥着重要作用。
因此,我们需要找到一种方法来平衡收益和影响。
科学家们认为:“完全停止卫星发射是行不通的。 然而,在我们有更好的国际规则之前,放慢速度,并推迟放置 10 万颗卫星将是谨慎的做法。”
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