科学家担心太空旅行的兴起可能会以意想不到的方式影响地球气候
火箭发射对大气的影响真的可以忽略不计吗？
（图）混合动力火箭发动机，如维珍银河公司火箭飞机上使用的发动机，会排放大量烟尘（图片来源：维珍银河）
科学家们担心，越来越多的火箭发射和太空旅行的兴起会危害地球的大气层并导致气候变化。
当亿万富翁理查德·布兰森(Richard Branson)和杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)各自搭乘自家亚轨道火箭飞向太空时，震惊世界。
但有些科学家认为，这些里程碑事件在代表技术成就之外还带来了新的问题。睽违多年几经挫折终于成功发射，这标志着一个期待已久的时代的即将开启。这将是一个火箭发射频率远高于今天的时代，穿梭于大气层的平流层。以布兰森的维珍银河公司运营的“太空船二号”为例，这些飞行器使用的混合式引擎燃烧橡胶释放出烟尘。
“混合动力引擎可以使用多种类型的燃料，但都会产生大量的烟尘，”意大利米兰理工大学航空航天工程研究火箭推进技术的副教授菲利波·马吉这样说道。几年前，他所在的团队发表了一篇关于混合动力火箭发动机排放的广泛分析文章。他还说道：”这些引擎工作起来就像蜡烛，它们燃烧的过程给烟尘的产生创造了有利条件。“
据太空咨询公司北方天空研究（Northern Sky Research）首席分析师达拉斯·卡萨博斯基称，单次维珍银河亚轨道航天旅行持续约一个半小时，产生的污染相当于一次穿越大西洋的十小时飞行。有些科学家认为这令人不安，因为维珍银河的野心在于每天多次承载付费游客飞往太空边缘。
“即使亚轨道旅游市场的发射次数只是其他‘旅游业’发射次数的一小部分，但它的每一次发射都比其他贡献的排放量要大得多，这会是个问题，”卡萨博斯基对太空网（Space.com）表示。
当然，维珍银河的火箭不是唯一的罪魁祸首。所有燃烧碳氢燃料的火箭引擎都会产生烟尘，马吉这样说道。固体火箭引擎，如过去用于NASA航天飞机助推器的发动机，燃烧金属化合物，并与盐酸反应排放氧化铝颗粒，这两种情况都对大气造成破坏。
另一方面，蓝色起源公司的新谢泼德亚轨道飞行器采用BE-3引擎，结合了液氢和液氧来产生助推力。据专家称，相较于其他火箭发动机，BE-3的污染并不是很大，主要排放出水和一些次要的燃烧产物。
这张壮观的印度洋日落照片是由国际空间站(ISS)上的宇航员拍摄的。这张图像展示了从轨道上看到的地球大气层的边缘，或称为临边观测。
（图）火箭污染了原本纯净的大气层平流层（图片来源：NASA）
知道的太少
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凯伦·罗森洛夫来说，最大的问题是火箭污染了大气层更高的范围——即，从大约6.2英里（10千米）平流层的高度开始，一直向上到31英里（50千米）的中间层。
“你正在向你平时不会排放污染的地方排放，”罗森洛夫向太空网表示，“我们真的需要了解，如果我们增加这样的排放物，潜在的危害是什么？”
根据经常与罗森洛夫合作的航天航空公司大气科学家马丁·罗斯的说法，截至目前，火箭发射对大气的影响可以忽略不计，但这只是因为火箭发射的数量还没有那么多。
罗斯向太空网透露：“目前航天业消耗的燃料量还不到航空业的1%，所以还没有太多的研究，情有可原。但情况正在发生改变，这就需要我们更多的深入研究。”
卡萨博斯基说，北方天空研究公司预测未来十年太空旅行的数量将激增，从不久的将来每年10次到2030年增至每年360次。但这一数字还远远低于维珍银河和蓝色起源等太空旅行公司对自己的预期增长率。
卡萨博斯基还说道：“亚轨道旅行的需求异常高涨。实际上，这些公司已经有客户在排队，所以他们想扩大规模。最终，他们会想要在一天内飞行数次，就像短途飞机一样。”
预计火箭发射卫星进入轨道的数量也会增长。但卡萨博斯基认为太空旅行有更大的增长潜力。
他说：“这就像货机和客户的区别。有更多的乘客期待着飞向太空。”
在罗斯看来，问题在于科学界不知道，也没有足够的数据来告诉我们，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。而与此同时，随着火箭发射次数默默地增加，平流层就已经在发生变化了。
罗斯表示：“即使以10为单位，这些‘火箭产生’的颗粒所带来影响的数量级也尚不知晓。不确定性很大，而我们需要缩小范围，预测太空将会怎样影响大气层。”
（图）固体火箭助推器，如过去用于发射NASA航天飞机的那些，会产生有害于臭氧层的物质（图片来源：NASA/比尔·英格斯）
航天飞机的臭氧空洞
截至目前，对于火箭发射对大气层中化学变化影响的唯一直接测量来自航天飞机时代。20世纪90年代，当全世界齐心协力拯救受损的臭氧层时，美国国家航空航天局（NSASA）, 美国国家海洋和大气管理局（NOAA）以及美国空军联合开展了一项运动，旨在研究航天飞机固体燃料助推器排放的气体对平流层臭氧的影响。
罗斯说道：“在20世纪90年代，人们对固体火箭助推器产生的氯极其担忧。氯有害于平流层臭氧，有些模型显示固体火箭助推器造成的臭氧消耗将是非常严重的。”
科学家们在佛罗里达州使用NASA的WB57高空飞机飞越过由航天飞机火箭产生的羽状流。高度达到6万英尺（1万9千米），得以测量到火箭划过后平流层低处的化学反应。
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）化学科学实验室主任大卫·费伊领导了该研究，他告诉太空网说：“其中一个基本问题是，这些固体火箭推进器产生了多少氯以及以什么形式产生。我们经过多次测量并对结果进行了分析。当时，航天飞机的发射还不足以在全球范围内产生影响，但仅在当地则会因（火箭发射遗留下的）羽状流而消耗臭氧。”
航天飞机在10年前退役，但产生破坏臭氧层物质的火箭今天还在源源不断地将人类和卫星送往太空。
实际上，在2018年，世界气象组织在其每四年发布一次的最新臭氧消耗科学评估报告中，将火箭列为未来可能关注的问题。
（图）火箭助推器在超高空产生污染（图片来源：维珍银河）
比地球工程还糟糕
罗森洛夫的团队利用NOAA强大的超级计算机研究了人造物质在大气层较高层的广泛影响。这项研究类似于预测众所周知的蝴蝶效应，即地球上空千尺处空气化学成分的微小变化对地球气候及天气模式产生的影响。在她看来，燃烧碳氢燃料的火箭排放出的黑炭或烟尘尤其令人担忧。
罗森洛夫解释说：“烟尘的问题在于它会吸收紫外光，从而使平流层升温。当平流层温度开始升高，也就是（距离地表最近的）对流层上方的那一层，平流层的运动就会随之改变，也就是能量转移将会发生改变，从而可能会影响到地表上正在发生的一切。”
罗森洛夫指出，火箭产生的粒子已经引起了科学家们的注意，因为它们可能会在不同的背景下对全球气候产生影响——地球工程，即有意干预大气以达到阻止或缓解全球变暖的目的。
罗森洛夫最近与人合著了一篇论文，同样运用到了NOAA强大的超级计算机来模拟科学家们所谓的气候干预。该团队致力于研究二氧化硫颗粒与平流层下部的烟尘（火箭排放的一部分）一起扩散对气候的影响。众所周知，二氧化硫颗粒会反射光线远离地球。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。在这个较高的高度，二氧化硫可以开始气候降温工作。该实验模拟了10天内当飞机在对流层上层释放110万吨反射阳光的二氧化硫和1.1万吨黑炭混合后会发生什么。
该实验没有发现对地球气候有任何显著的负面影响。但是这些结果并没有打消罗森洛夫对火箭发射次数不断增加可能带来风险的担忧。
改变喷射流
罗森洛夫说：“我们所做的地球工程实验中产生的黑炭没有火箭排放的量大。但问题是，你飞的越高，这些东西持续的时间就越长。这两种都是不理想的，因为任何一种方式都会在我们现在没有加热的地方产生热量。”
马吉谈到，混合动力火箭发动机产生的烟尘颗粒极其微小而且重量很轻。事实上，当他和他的同事们试图在实验室里测量混合动力火箭发动机的烟尘颗粒输出时，由于颗粒的微小尺寸，他们无法精确地的量出可靠的数据。
马吉说：“我们能够测量固体火箭推动器的颗粒排放。它们大约有一微米大小，而且量很大。但是因为它们很大，落地的速度也更快。但在混合动力火箭发动机中，我们却无法收集羽状流排放的烟尘，因为颗粒过于微小，通常只有几纳米。”
马吉甚至担心这些颗粒也许会永远留在平流层。
马吉还说道：“这些颗粒的大小和飞机排放的碳相同。我们知道在飞机的巡航高度给大气层留下了一层碳层。而火箭推动器排放的颗粒很有可能会重蹈覆辙。”
经年累月的颗粒积累让科学家们感到担忧。就像随着碳排放到大气中的量不断增加气候危机才慢慢开始一样，平流层中的污染可能只会在几年后才开始造成危害。
罗森洛夫还谈到，从长远来看，污染物进入平流层可能会改变极地喷射流，进而改变冬季风暴模式或影响平均降雨量。
罗森洛夫说：“可能有些地方会从每年25英寸（64厘米）降到每年20英寸（51厘米），这听起来可能不是什么大事。但如果你是当地种植小麦的农民，就会发现降雨的细微变化都会影响农作物的产量。”
待办事项
费伊说，正因为这样，现在开始科学工作评估未来的风险是至关重要的。
他谈到：“这是一个根本的鸿沟，我们没有数据，这意味着科学受限，因为我们缺少信息。我们认为，评估人类活动对平流层的影响是我们（NOAA）的部分责任。火箭是（平流层污染的）主要和唯一来源，其影响会随着发射频率的增加而累积。”
费伊筹划了一项更广泛的研究项目，分析不同类型的火箭发动机和燃料的排放以及对平流层的影响。这些数据可以用在罗森洛夫的模型中，根据发射数量的预期增加更好地预测其影响。然而，费伊表示，出于政治决策要优先提供给NOAA及其基金合伙方，使其能够再次出动高空飞机采集数据。他还提到，值得高兴的是，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。
他说：“我们希望看到一项由NOAA或者美国空军领导的国家项目，基于观测结果建立起数据库，记录现代推进系统的基础排放特征。我们不但可以在地面测试中收集数据，还可以在空中——就像我们在航天飞机上做的那样，在发射后穿越羽状流。”
重新进入巨型星座卫星造成的空气污染可能会导致2.0版臭氧层空洞
BY: Tereza Pultarova
FY:大C
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