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

Starlink等通信公司計(jì)劃在未來十年左右的時(shí)間里將數(shù)萬顆衛(wèi)星發(fā)射到地球軌道上。不斷增長(zhǎng)的蜂群已經(jīng)給天文學(xué)家?guī)砹藛栴}，但最近的研究提出了另一個(gè)問題：當(dāng)它們開始下降時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

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

根據(jù)上周發(fā)表的一項(xiàng)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(hù)的家園臭氧層。

那是什么意思？根據(jù)這項(xiàng)研究，衛(wèi)星的尾部可以促進(jìn)破壞臭氧層的化學(xué)反應(yīng)。這沒有錯(cuò)，但正如我們將看到的，故事遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)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(dāng)自由基產(chǎn)生時(shí)，它們會(huì)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?yàn)樗鼈兌挤謩e涉及氧氣以及氮?dú)?、氫氣、氯氣和溴?/p>

這些自由基是在穩(wěn)定的氣體被紫外線分解時(shí)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(jìn)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(shí)會(huì)注入大量。

平流層中的水會(huì)產(chǎn)生許多小氣溶膠顆粒，這些顆粒為化學(xué)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(huì)回到這兩點(diǎn)。

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(xué)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(xué)反應(yīng)提供表面來加速化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果，平流層中的氣溶膠會(huì)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(dāng)周圍有更多的平流層氣溶膠時(shí)，我們可能會(huì)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(xì)節(jié)將相當(dāng)復(fù)雜。這不是第一項(xiàng)強(qiáng)調(diào)重新進(jìn)入太空垃圾造成的平流層污染日益嚴(yán)重的研究。

2023 年，研究人員研究平流層中的氣溶膠顆粒檢測(cè)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(cè)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(huì)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(zhǎng)。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(xué)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(duì)臭氧損失的影響。

向火山學(xué)習(xí)

為了真正了解這些氧化鋁對(duì)臭氧損失意味著什么，我們需要實(shí)驗(yàn)室研究，更詳細(xì)地模擬化學(xué)，并研究顆粒如何在大氣中移動(dòng)。

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(dòng)。起初，這些額外的水導(dǎo)致了強(qiáng)烈的日落，但一年后，這些水氣溶膠在整個(gè)南半球被很好地稀釋了，我們?cè)僖部床坏剿鼈兞恕?/p>

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(dòng)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(shí)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(diǎn)。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(huì)使氣溶膠更小、反射性更強(qiáng)——從而冷卻地表，就像平流層氣溶膠注入地球工程場(chǎng)景一樣？

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

當(dāng)然，鋁氣溶膠不會(huì)永遠(yuǎn)留在平流層中。當(dāng)它們最終落到地上時(shí)，這種金屬污染會(huì)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(jì)，從現(xiàn)在到2030年可能會(huì)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(zhǎng)（環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展），墨爾本大學(xué)

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