科学家担心太空旅游的兴起可能以不可预见的方式影响地球气候

科学家们担心，越来越多的火箭飞行和太空旅游的兴起可能会损害地球大气并导致气候变化。当亿万富翁理查德布兰森和杰夫贝索斯本月乘坐他们公司的亚轨道旅游车飞入太空时，世界上大部分人都为之鼓掌。但对于一些科学家来说，这些里程碑代表的不仅仅是技术成就。经过多年的延误和重大挫折，这些飞行标志着一个期待已久的时代的潜在开始，在这个时代，火箭可能比今天更频繁地飞越迄今为止相当原始的大气层上层。以布兰森的维珍银河公司运营的 SpaceShipTwo 为例，这些飞行由混合动力发动机提供动力，该发动机燃烧橡胶并留下一团烟尘。 “混合动力发动机可以使用不同类型的燃料，但它们总是会产生大量烟尘，”意大利米兰理工大学航空航天工程副教授 Filippo Maggi 说，他研究火箭推进技术，并且是一个团队的一员，几年之前发表了一篇关于混合火箭发动机排放的广泛分析。 “这些引擎就像蜡烛一样工作，它们的燃烧过程创造了有利于烟尘生成的条件。”根据太空咨询公司 Northern Sky Research 的首席分析师达拉斯·卡萨博斯基 (Dallas Kasaboski) 的说法，维珍银河的一次亚轨道太空旅游飞行持续约一个半小时，所产生的污染与 10 小时的跨大西洋飞行一样多。一些科学家认为这令人不安，因为维珍银河希望每天数次将付费游客送至太空边缘。 “即使亚轨道旅游市场的发射次数与[旅游]行业的其他部分相比只是发射次数的一小部分，但他们的每次飞行都有更高的贡献，这可能是一个问题，”卡萨博斯基告诉太空。 com。维珍银河的火箭当然不是唯一的罪魁祸首。 Maggi 说，所有燃烧碳氢燃料的火箭发动机都会产生烟尘。固体火箭发动机，例如过去用于 NASA 航天飞机助推器的发动机，会燃烧金属化合物并与盐酸一起释放氧化铝颗粒，这两种物质都会对大气造成破坏性影响。

另一方面，为 Blue Origin 的 New Shepard 亚轨道飞行器提供动力的 BE-3 发动机将液氢和液氧结合以产生推力。专家说，与其他火箭发动机相比，BE-3 不是一个大的污染源，主要排放水和一些轻微的燃烧产物。对于美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 化学科学实验室的高级科学家 Karen Rosenlof 来说，最大的问题是火箭污染了大气层的更高层——平流层，它从大约 6.2 英里的高度开始（ 10 公里），以及从 31 英里（50 公里）向上延伸的中间层。 “你在通常不会排放污染物的地方排放污染物，”罗森洛夫告诉 Space.com。 “我们真的需要明白。如果我们增加这些东西，潜在的损害是什么？”经常与罗森洛夫合作的航空航天公司大气科学家马丁·罗斯表示，到目前为止，火箭发射对大气的影响可以忽略不计。但这仅仅是因为没有那么多的发射。 “目前航天工业消耗的燃料量不到航空燃料消耗量的 1%，”罗斯告诉 Space.com。 “所以没有很多研究，这是有道理的。但事情正在发生变化，这表明我们应该更详细地了解这一点。”卡萨博斯基说，Northern Sky Research 预测，未来十年太空旅游航班的数量将猛增，从不久的将来的每年 10 次增加到 2030 年的每年 360 次。这一估计仍远低于维珍银河和蓝色起源等太空旅游公司为自己设想的增长率。 “对亚轨道旅游的需求非常高，”卡萨博斯基说。 “这些公司实际上有客户在排队等候，因此他们想要扩大规模。最终，他们希望每天飞行多次，就像短途飞机一样。”

预计将卫星送入轨道的火箭发射率也将增长。但卡萨博斯基认为太空旅游的增长潜力更大。 “这就像货运航班和客运航班之间的区别，”卡萨博斯基说。 “有更多的乘客希望乘坐飞机。”根据罗斯的说法，问题是科学界不知道也没有足够的数据来判断火箭发射将在什么时候开始对地球气候产生可衡量的影响。与此同时，随着火箭发射次数的增加，平流层已经发生了变化。 “这些[火箭产生的]粒子的影响甚至在一个数量级，即 10 倍的范围内都没有得到很好的理解，”罗斯说。 “不确定性很大，我们需要缩小范围并预测太空可能如何影响大气。”到目前为止，对火箭发射对大气化学过程影响的唯一直接测量来自航天飞机时代。在 1990 年代，当全世界齐心协力挽救受损的臭氧层时，NASA、NOAA 和美国空军发起了一项运动，研究航天飞机固体燃料助推器的排放物对平流层臭氧的影响。 “在 1990 年代，人们对​​固体火箭发动机中的氯存在重大担忧，”罗斯说。 “氯是平流层臭氧的坏人，有一些模型表明固体火箭发动机的臭氧消耗将非常显着。”科学家们使用 NASA 的 WB 57 高空飞机飞过佛罗里达州航天飞机火箭产生的羽流。到达高达 60,000 英尺（19 公里）的高度后，他们能够测量火箭刚刚通过后平流层下层的化学反应。

领导这项研究的美国国家海洋和大气局化学科学实验室主任大卫法赫告诉 Space.com：“一个基本问题是这些固体火箭发动机中产生了多少氯气以及以何种形式产生。” “我们对其进行了多次测量，然后分析了结果。当时，没有足够的航天飞机发射来在全球范围内产生影响，但由于这种扩散羽流[由火箭留下]，当地可能会消耗臭氧层。 ”航天飞机于 10 年前退役，但产生臭氧破坏物质的火箭今天继续将人类和卫星发射到太空。事实上，在 2018 年，在其每四年发布一次的最新的臭氧消耗科学评估中，世界气象组织将火箭列为未来潜在的关注点。该组织呼吁进行更多研究，因为预计发射次数会增加。 Rosenlof 的团队使用强大的 NOAA 超级计算机研究人造物质在大气层较高层的更广泛影响。这项工作类似于预测众所周知的蝴蝶效应，即地球上空数十英里空气化学的微小变化对地面气候和天气模式的影响。对她来说，燃烧碳氢化合物燃料的火箭排放的黑碳或煤烟尤其令人担忧。 “煤烟的问题在于它会吸收紫外线，这意味着它会加热平流层，”罗森洛夫说。 “当你开始加热平流层时，对流层上方[最靠近地面的]层，你开始改变平流层的运动。你正在改变能量转移，这实际上可能影响地面上发生的事情。”罗森洛夫指出，一些火箭产生的许多粒子引起了科学家们的兴趣，因为它们可能对不同背景下的全球气候产生影响——地球工程，故意篡改大气以阻止或减缓全球变暖。 Rosenlof 最近与人合着了一篇论文，该论文使用同样强大的 NOAA 超级计算机来模拟科学家所说的气候干预。该团队对分散二氧化硫颗粒的气候影响感兴趣，二氧化硫颗粒已知将光反射离开地球，与平流层下层的烟尘（这也是火箭排放的一部分）相结合。烟尘从阳光中吸收能量，并通过加热周围的空气将二氧化硫气溶胶颗粒推到更高的高度。在那个更高的高度，二氧化硫可以开始其气候冷却工作。该实验模拟了当飞机在 10 天内将 110 万吨反射阳光的二氧化硫与 11,000 吨黑碳混合时会发生什么情况。

该研究没有发现对地球天气有任何显着的负面影响。然而，这些结果并没有消除罗森洛夫对火箭发射数量不断增加可能带来的风险的担忧。 “我们所做的地球工程实验中的黑碳含量没有这些火箭中的含量高，”她说。 “问题是你爬得越高，持续时间越长。它们都不理想，因为它们中的任何一个都会在我们现在没有暖气的地方产生暖气。”据美极称，混合火箭发动机产生的烟尘颗粒非常小且重量轻。事实上，当他和他的同事们试图在实验室中测量混合火箭发动机的烟尘排放量时，由于粒子的尺寸很小，他们无法可靠地进行精确测量。 “我们能够测量固体火箭发动机的粒子输出，”玛吉说。 “这些大约一微米大小，而且有很多。但因为​​它们很大，它们掉到地上的速度更快。在混合火箭发动机中，我们无法从羽流中收集烟尘，因为它非常好，大小只有几纳米。” “它们的大小与飞机排放的碳相同，”玛吉说。 “而且我们知道，在飞机飞行高度的大气层中有一层碳留在那里。来自火箭发动机的粒子很可能也会这样做。”这些粒子多年来和几十年的积累是科学家们担心的问题。正如当前的气候危机随着释放到大气中的碳量增加而开始相对缓慢一样，平流层中的污染可能只会在几年后才开始造成危害。罗森洛夫补充说，从长远来看，将污染物注入平流层可能会改变极地急流、改变冬季风暴模式或影响平均降雨量。

“在某些地方，您可能会从每年 25 英寸 [64 厘米] 增加到每年 20 英寸 [51 厘米]，这听起来可能没什么大不了的，除非您是试图在那里种植小麦的农民，”罗森洛夫说。 “那么降雨量的细微变化就会影响您的作物产量。”出于这个原因，Fahey 说，现在开始科学工作以评估未来的风险至关重要。 “有一个根本性的差距，我们只是没有数字，这意味着科学是有限的，因为我们缺乏信息，”他说。 “我们认为（在 NOAA）评估人类活动对平流层的影响是我们责任的一部分。火箭是[平流层污染]的主要和独特来源，发射频率正在增加，影响正在积累。” Fahey 设想了一个更广泛的研究计划，该计划将分析各种类型的火箭发动机和燃料对平流层的排放和影响。这些数据可用于 Rosenlof 的模型，以根据发射次数的预期增长更好地预测效果。然而，Fahey 表示，必须首先做出政治决定，为 NOAA 及其合作伙伴提供资金，使他们能够将高空飞机再次升空并收集数据。他补充说，好消息是美国国会似乎意识到了这个问题，事情可能很快就会开始发生变化。 “我们希望看到一个由 NOAA 或空军运行的国家计划，该计划将开发一个基于观测的现代推进系统基本排放特征数据库，”他说。 “我们可以在地面测试中收集一些数据，但也可以用与航天飞机相同的方式——在发射后立即飞过羽流。”加入我们的太空论坛，就最新的任务、夜空等内容继续谈论太空！如果您有新闻提示、更正或评论，请通过以下方式告诉我们：[email protected]。