像Starlink這樣的衛(wèi)星可能會對我們的修復(fù)臭氧層構(gòu)成新的威脅

Starlink等通信公司計劃在未來十年左右的時間里將數(shù)萬顆衛(wèi)星發(fā)射到地球軌道上。不斷增長的蜂群已經(jīng)給天文學家?guī)砹藛栴}，但最近的研究提出了另一個問題：當它們開始下降時會發(fā)生什么？

當這些衛(wèi)星達到其使用壽命時，它們將落入地球大氣層并燃燒殆盡。一路上，它們會留下微小的金屬顆粒痕跡。

根據(jù)上周發(fā)表的一項研究由一組美國研究人員稱，這種衛(wèi)星雨每年可能向大氣中傾倒360噸微小的氧化鋁顆粒。

鋁將主要在50至85公里的高度注入，但隨后它將漂流到平流層 - 地球保護的家園臭氧層。

那是什么意思？根據(jù)這項研究，衛(wèi)星的尾部可以促進破壞臭氧層的化學反應(yīng)。這沒有錯，但正如我們將看到的，故事遠非如此簡單。

臭氧是如何被破壞的？

平流層中的臭氧損失是由“自由基”引起的——具有自由電子的原子或分子。當自由基產(chǎn)生時，它們會開始破壞許多臭氧分子的循環(huán)。（這些循環(huán)的名字是蘇斯博士欽佩的：NOx、HOx、ClOx 和 BrOx，因為它們都分別涉及氧氣以及氮氣、氫氣、氯氣和溴。

這些自由基是在穩(wěn)定的氣體被紫外線分解時產(chǎn)生的，紫外線在平流層中有很多紫外線。

氮氧化物 （NOx） 從一氧化二氮開始。這是一種由微生物自然產(chǎn)生的溫室氣體，但人類化肥制造和農(nóng)業(yè)增加了空氣中的含量。

HOx循環(huán)涉及來自水蒸氣的氫自由基。沒有多少水蒸氣進入平流層，盡管像洪加湯加-洪加哈派2022 年的水下火山噴發(fā)有時會注入大量。

平流層中的水會產(chǎn)生許多小氣溶膠顆粒，這些顆粒為化學反應(yīng)創(chuàng)造了很大的表面積，并散射了更多的光線以形成美麗的日落。（我稍后會回到這兩點。

氟氯化碳如何制造“臭氧空洞”

ClOx 和 BrOx 是導(dǎo)致臭氧層： ”臭氧空洞“由氯氟烴（CFCs）和哈龍引起。這些現(xiàn)在被禁止的化學品通常用于冰箱和滅火器，并將氯和溴引入平流層。

氟氯化碳在平流層中迅速釋放氯自由基。然而，這種活性氯很快被中和并鎖在含有氮和水自由基的分子中。

接下來發(fā)生的事情取決于平流層中的氣溶膠，在兩極附近，它也取決于云層。

氣溶膠通過為化學反應(yīng)提供表面來加速化學反應(yīng)。結(jié)果，平流層中的氣溶膠會釋放活性氯（和溴）。極地平流層云還可以去除空氣中的水和氮氧化物。

因此，一般來說，當周圍有更多的平流層氣溶膠時，我們可能會看到更多的臭氧損失。

越來越金屬化的平流層

墜落衛(wèi)星具體注入氧化鋁的細節(jié)將相當復(fù)雜。這不是第一項強調(diào)重新進入太空垃圾造成的平流層污染日益嚴重的研究。

2023 年，研究人員研究平流層中的氣溶膠顆粒檢測到微量金屬從航天器再入。他們發(fā)現(xiàn)，10%的平流層氣溶膠已經(jīng)含有鋁，并預(yù)測在未來10-30年內(nèi)，這一比例將增加到50%。（大約50%的平流層氣溶膠顆粒已經(jīng)含有隕石中的金屬。

我們不知道這會產(chǎn)生什么影響。一種可能的結(jié)果是，鋁顆粒播種了含有冰顆粒的生長。這意味著將有更多更小、更冷、更反光的粒子，其表面積更大，可以發(fā)生化學反應(yīng)。

我們也不知道鋁顆粒將如何與平流層中發(fā)現(xiàn)的硫酸、硝酸和水相互作用。因此，我們不能真正說出對臭氧損失的影響。

向火山學習

為了真正了解這些氧化鋁對臭氧損失意味著什么，我們需要實驗室研究，更詳細地模擬化學，并研究顆粒如何在大氣中移動。

例如，在Hunga Tonga-Hunga Ha'apai噴發(fā)后，平流層中的水蒸氣在南半球周圍迅速混合，然后向極地移動。起初，這些額外的水導(dǎo)致了強烈的日落，但一年后，這些水氣溶膠在整個南半球被很好地稀釋了，我們再也看不到它們了。

一種稱為布魯爾-多布森環(huán)流的全球洋流將空氣向上移動到赤道附近的平流層，然后在兩極再次下降。因此，氣溶膠和氣體最多只能在平流層停留六年。(氣候變化正在加速這種環(huán)流，這意味著氣溶膠和氣體在平流層中的時間更短。

1991年著名的皮納圖博火山噴發(fā)也創(chuàng)造了美麗的日落。它向平流層注入了超過1500萬噸的二氧化硫，這冷卻地球表面大約三年內(nèi)下降了半攝氏度多一點。這一事件是地球工程提案的靈感來源，該提案旨在通過故意將硫酸鹽氣溶膠放入平流層來減緩氣候變化。

許多問題仍然存在

與皮納圖博的1500萬噸相比，360噸氧化鋁似乎是小土豆。

然而，我們不知道氧化鋁在平流層條件下的物理行為。它是否會使氣溶膠更小、反射性更強——從而冷卻地表，就像平流層氣溶膠注入地球工程場景一樣？

我們也不知道鋁的化學表現(xiàn)如何。它會產(chǎn)生冰核嗎？它將如何與硝酸和硫酸相互作用？它是否會比目前的平流層氣溶膠更有效地釋放鎖定的氯，從而促進臭氧的破壞？

當然，鋁氣溶膠不會永遠留在平流層中。當它們最終落到地上時，這種金屬污染會在我們的極地地區(qū)造成什么影響？

所有這些問題都需要解決。由一些估計，從現(xiàn)在到2030年可能會發(fā)射超過50,000顆衛(wèi)星，因此我們最好盡快解決這些問題。

羅賓·斯科菲爾德，副教授兼副院長（環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展），墨爾本大學

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