像Starlink这样的卫星可能会对我们的修复臭氧层构成新的威胁

Starlink等通信公司计划在未来十年左右的时间里将数万颗卫星发射到地球轨道上。不断增长的蜂群已经给天文学家带来了问题,但最近的研究提出了另一个问题:当它们开始下降时会发生什么?

当这些卫星达到其使用寿命时,它们将落入地球大气层并燃烧殆尽。一路上,它们会留下微小的金属颗粒痕迹。

根据上周发表的一项研究由一组美国研究人员称,这种卫星雨每年可能向大气中倾倒360吨微小的氧化铝颗粒。

铝将主要在50至85公里的高度注入,但随后它将漂流到平流层 - 地球保护的家园臭氧层。

那是什么意思?根据这项研究,卫星的尾部可以促进破坏臭氧层的化学反应。这没有错,但正如我们将看到的,故事远非如此简单。

臭氧是如何被破坏的?

平流层中的臭氧损失是由“自由基”引起的——具有自由电子的原子或分子。当自由基产生时,它们会开始破坏许多臭氧分子的循环。(这些循环的名字是苏斯博士钦佩的:NOx、HOx、ClOx 和 BrOx,因为它们都分别涉及氧气以及氮气、氢气、氯气和溴。

这些自由基是在稳定的气体被紫外线分解时产生的,紫外线在平流层中有很多紫外线。

氮氧化物 (NOx) 从一氧化二氮开始。这是一种由微生物自然产生的温室气体,但人类化肥制造和农业增加了空气中的含量。

HOx循环涉及来自水蒸气的氢自由基。没有多少水蒸气进入平流层,尽管像洪加汤加-洪加哈派2022 年的水下火山喷发有时会注入大量。

平流层中的水会产生许多小气溶胶颗粒,这些颗粒为化学反应创造了很大的表面积,并散射了更多的光线以形成美丽的日落。(我稍后会回到这两点。

氟氯化碳如何制造“臭氧空洞”

ClOx 和 BrOx 是导致臭氧层: ”臭氧空洞“由氯氟烃(CFCs)和哈龙引起。这些现在被禁止的化学品通常用于冰箱和灭火器,并将氯和溴引入平流层。

氟氯化碳在平流层中迅速释放氯自由基。然而,这种活性氯很快被中和并锁在含有氮和水自由基的分子中。

接下来发生的事情取决于平流层中的气溶胶,在两极附近,它也取决于云层。

气溶胶通过为化学反应提供表面来加速化学反应。结果,平流层中的气溶胶会释放活性氯(和溴)。极地平流层云还可以去除空气中的水和氮氧化物。

因此,一般来说,当周围有更多的平流层气溶胶时,我们可能会看到更多的臭氧损失。

越来越金属化的平流层

坠落卫星具体注入氧化铝的细节将相当复杂。这不是第一项强调重新进入太空垃圾造成的平流层污染日益严重的研究。

2023 年,研究人员研究平流层中的气溶胶颗粒检测到微量金属从航天器再入。他们发现,10%的平流层气溶胶已经含有铝,并预测在未来10-30年内,这一比例将增加到50%。(大约50%的平流层气溶胶颗粒已经含有陨石中的金属。

2015年联盟号太空舱重返大气层时留下的羽流,从国际空间站拍摄。(美国宇航局/斯科特·凯利)

我们不知道这会产生什么影响。一种可能的结果是,铝颗粒播种了含有冰颗粒的生长。这意味着将有更多更小、更冷、更反光的粒子,其表面积更大,可以发生化学反应。

我们也不知道铝颗粒将如何与平流层中发现的硫酸、硝酸和水相互作用。因此,我们不能真正说出对臭氧损失的影响。

向火山学习

为了真正了解这些氧化铝对臭氧损失意味着什么,我们需要实验室研究,更详细地模拟化学,并研究颗粒如何在大气中移动。

例如,在Hunga Tonga-Hunga Ha'apai喷发后,平流层中的水蒸气在南半球周围迅速混合,然后向极地移动。起初,这些额外的水导致了强烈的日落,但一年后,这些水气溶胶在整个南半球被很好地稀释了,我们再也看不到它们了。

2022 年的 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 喷发将大量水蒸气注入平流层。(美国宇航局)

一种称为布鲁尔-多布森环流的全球洋流将空气向上移动到赤道附近的平流层,然后在两极再次下降。因此,气溶胶和气体最多只能在平流层停留六年。(气候变化正在加速这种环流,这意味着气溶胶和气体在平流层中的时间更短。

1991年著名的皮纳图博火山喷发也创造了美丽的日落。它向平流层注入了超过1500万吨的二氧化硫,这冷却地球表面大约三年内下降了半摄氏度多一点。这一事件是地球工程提案的灵感来源,该提案旨在通过故意将硫酸盐气溶胶放入平流层来减缓气候变化。

许多问题仍然存在

与皮纳图博的1500万吨相比,360吨氧化铝似乎是小土豆。

然而,我们不知道氧化铝在平流层条件下的物理行为。它是否会使气溶胶更小、反射性更强——从而冷却地表,就像平流层气溶胶注入地球工程场景一样?

我们也不知道铝的化学表现如何。它会产生冰核吗?它将如何与硝酸和硫酸相互作用?它是否会比目前的平流层气溶胶更有效地释放锁定的氯,从而促进臭氧的破坏?

当然,铝气溶胶不会永远留在平流层中。当它们最终落到地上时,这种金属污染会在我们的极地地区造成什么影响?

所有这些问题都需要解决。由一些估计,从现在到2030年可能会发射超过50,000颗卫星,因此我们最好尽快解决这些问题。

罗宾·斯科菲尔德,副教授兼副院长(环境与可持续发展),墨尔本大学

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