編譯 | 王昱
審校 | 不周
從天氣預報到導航，衛星對於我們今天的生活越來越重要。隨著太空運輸能力的提升，越來越多的大型衛星星座出現在了地球軌道上。
任何事物都有自己的壽命，衛星也是。一旦衛星的執行週期結束，國際準則建議它應在25年內重返大氣層，儘量降低它與其他衛星碰撞的風險。衛星通常會在再入大氣層時燒燬，不會對地面造成影響，也讓出了寶貴的軌道資源。
衛星再返回大氣層時，會損失51%到95%的質量。但這些質量不是憑空消失了，而是在劇烈的摩擦中，成為了漂浮在大氣層中的顆粒物。而最近發表在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）上的一篇論文顯示，這些顆粒物可能會對地球高空環境造成威脅，消耗臭氧，延緩臭氧空洞的恢復。
臭氧空洞
太陽光中含有紫外線，當紫外線照射氧氣分子時，有可能觸發反應，合成臭氧分子。這種反應在地球的平流層中製造了一層臭氧層，可以阻擋太陽輻射中大部分的紫外線，尤其是對生物有害的短波紫外線和中波紫外線。這兩種紫外線會對生物的DNA造成損傷、增加癌症風險。而臭氧在阻擋紫外線的過程中，它也可能會被分解成氧氣分子。總體而言，平流層的臭氧水平會處在一種動態平衡中。
但人類的干擾會破壞這種平衡，比如向大氣中排放的氟利昂。氟利昂在空調、冰箱中充當製冷劑，但它在進入臭氧集中的平流層後，會因紫外線的照射產生氯原子，氯原子則能催化臭氧的分解，這造成了臭氧層空洞。自1987年全球多國簽署《蒙特利爾議定書》（Montreal Protocol），停止使用氟利昂作為製冷劑以來，臭氧層已經開始逐步恢復。按照現在的趨勢，南極上空、北極上空和世界其他地區的臭氧層，分別將於2066年左右、2045年、2040年左右恢復到出現臭氧層空洞之前的水平。
奈米催化劑
但越來越多的衛星正在改變這種情況。鋁是航天領域最常用的金屬之一，很多運載火箭、衛星都用鋁金屬製作而成。一般來說，衛星質量的1/3都是鋁。當衛星再入大氣層時，高溫高速氣流摩擦產生的鋁金屬顆粒會和周圍的氧氣反應生成氧化鋁顆粒。但原本衛星上完整的金屬鋁，在重返大氣層時，究竟是怎麼變成這些氧化鋁顆粒的？這些氧化鋁顆粒又有多大？
為了探究這些問題，研究人員展開了原子尺度的分子動力學模擬，其中涉及了960到1360個鋁原子。研究人員讓氧分子以每秒2千米的速度撞擊鋁原子，這是衛星再入大氣層時的典型速度。結果發現，由此產生的氧化鋁顆粒直徑預期值為4.1奈米。
地球臭氧主要分佈在15千米到40千米高的平流層。而上述的氧化鋁顆粒在超過80千米的高空產生，由於尺度太小，黏滯作用較強，需要30年才能降落到這個高度。而一旦到達臭氧富集的平流層，這些氧化鋁顆粒就能長期停留在這裡。
原子尺度的分子動力學模擬。圖片來源：原論文
雖然這種顆粒本身沒有活性，但是它表面積較大，熱穩定性極好，能讓它成為分解臭氧的催化劑。和氟利昂一樣，奈米氧化鋁顆粒都需要藉助氯原子分解臭氧。在奈米氧化鋁顆粒的表面，人類排放到大氣中的氯氣分子可以轉化成氯原子，高層大氣中奈米氧化鋁納顆粒的濃度越高，就越有可能發生這個過程。接下來的過程，就和氟利昂一樣了，氯原子會和臭氧分子產生一氧化氯和氧氣（Cl + O₃ → ClO + O₂），一氧化氯與氧原子反應重新生成氯離子和氧氣（ClO + O → Cl + O₂），氯原子能催化臭氧分解。
對於一個250千克，鋁金屬質量佔總質量30%的衛星，再入大氣過程中會有32%的鋁轉變成氧化鋁顆粒——也就是生成30千克左右的氧化鋁顆粒簇。從2016年到2022年，衛星再入大氣層產生的氧化鋁增長了8倍，僅2022年一年，衛星再入大氣層就產生了大約17噸的氧化鋁顆粒。
考慮到未來的巨星星座，情況可能會更加嚴峻。未來大氣層中氧化鋁顆粒的濃度，可能會上升到自然水平的640%以上。這就不得不提到SpaceX，因為2023年全人類向太空發射的全部衛星中，總質量的80%都是這家公司發射的。如果不加以限制，人類發射的衛星，再返回大氣層時，可能會對我們的臭氧層產生威脅。
不過，這項研究也只是一項初步的研究。研究整體的模型較為簡單，並且很關鍵的是，它沒有計算氧化鋁顆粒會如何加速臭氧的分解。固體火箭發射時，同樣也會產生氧化鋁顆粒，早在2001年，就有科學家研究過這些氧化鋁顆粒對臭氧分解加速的效果。當時他們假設固體火箭每年會向平流層中排放1120噸一微米以下的氧化鋁顆粒——相當於每年發射9次太空梭和4泰坦四號。結果發現每年額外增加的1120噸氧化鋁顆粒對臭氧分解的影響非常小。那麼由此估計，如果衛星再入大氣層每年只會造成幾十噸的氧化鋁顆粒，或許對臭氧的分解作用也可以忽略。
當然，這項研究的估計仍有很大的不確定性，但是當我們開始做出大幅度改變，比如用前所未有的規模向太空發射衛星，組成巨型衛星星座時，它會對我們產生哪些影響？有待研究的內容，還有很多。
參考連結：
https://www.zhihu.com/question/659669682/answer/3540492929
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關鍵詞
大氣中
臭氧層
地球
圖片來源
氯原子