2019年7月1日，上海正式实施立法城市生活垃圾分类，原因在于，生活垃圾“给资源环境和经济社会可持续发展带来较大压力”。上海并非国内第一个实施立法生活垃圾分类的城市，也绝非最后一个，足见生活垃圾问题之严重性。目前，全国有三分之一以上的城市有垃圾围城的困扰。脚踏大地，仰望星空，在地球轨道上，还有无数的垃圾围绕着我们不停地旋转。这些太空垃圾距离我们太过遥远，所以鲜有关注。但它们也对太空环境和人类太空活动的可持续发展带来极大压力，在某种程度上，其实比生活垃圾危害更大，也更值得我们关注。今天，就让我们聊一聊太空垃圾的那些事。
1957年10月4日，前苏联发射人类第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号，地球轨道便不再宁静。迄今为止，世界各国一共执行了超过5000次发射任务，发生了200余次在轨航天器或火箭载体爆炸/撞击事故，产生的太空垃圾不可计数，尽管大部分已落入大气层燃烧殆尽，但目前仍有数千吨围绕地球飞行，而且其数量每年还以2%～5%的速度递增。
2009年，在轨的1.9万个大型物体中（含约4000颗人造卫星），只有902颗是运行中的人造卫星，意味着90%以上都是太空垃圾。据NASA统计，截至2019年1月，尺寸小于1厘米的微小碎片约有1.28亿块，介于1～10厘米之间的中型碎片约有90万块，而大于10厘米的大型碎片则有3.4万块之多。
低地球轨道太空垃圾艺术想象图
从空间分布上来看，在低于2000公里的近地轨道，由于空气阻力和地球引力扰动较为明显，存在大碎片的概率很低，大多数太空碎片是来自固体火箭发动机的尘埃、表面涂层脱落的碎片，以及核动力卫星的冷却剂，等等。
在更高的轨道上，尺寸更大的太空垃圾较多，轨道衰变的时间也更长。比如很多通信卫星位于距地面3.6万公里、垂直于赤道的地球静止轨道。尽管速度相对更低，但当卫星废弃时，还是会占用地球同步轨道。
按照目前热门的城市垃圾分类方法，太空垃圾统统属于“有害垃圾”。而根据来源，太空垃圾主要分为以下几类。
一、反卫星武器的“战绩”
二十世纪中叶，美苏争霸，美国提出所谓的太空战争。在此背景下，前苏联和美国进行了多场太空站演练。在这期间，仅前苏联就进行过多次卫星拦截、爆炸试验，给太空带来数百块大小不等的碎片。到了二十世纪80年代，美国又重启了该计划。在1985年的一次试验中，摧毁了一颗在525公里高度运行的一吨重的卫星，产生了数千个大于1厘米的碎片。鲜有人知的是，美苏反卫星试验其实是太空碎片的主要来源之一。
在这方面，中国亦有“贡献”。2007年，中国在反卫星导弹试验中产生了约2300块高尔夫球大小甚至更大的碎片、超过3万块大于1厘米的碎片以及约100万块大于1毫米的碎片。目标卫星在850公里和882公里之间的轨道上运行，该轨道高度的空气阻力很低，所以产生的太空垃圾数十年才会被逐渐耗尽。
反卫星武器制造大量的太空垃圾
比较大的事件还有：2008年2月20日，美国发射了一枚SM-3导弹，以摧毁一颗有缺陷的间谍卫星，由此产生的碎片散落在近地点250公里或更低的轨道上。今年3月27日，印度用地面导弹击落了一颗近地轨道卫星。随后，美国空军太空司令部表示，他们正在跟踪由此产生的270块碎片，但预计碎片的数量远不止于此。
二、宇航员丢失/丢弃的设备
宇航员在空间站工作时，由于没有重力影响，物体全部处于漂浮状态，稍有不慎就可能导致一些物体失去控制进入太空之中。
STS-88任务期间丢失的毛毯
耶鲁大学统计学家爱德华•塔夫特在著作《想象信息》（Envisioning Information，1990）中指出，此类太空垃圾包括：美国宇航员爱德•怀特在太空行走任务中丢失的一只手套，美国宇航员迈克尔•科林在双子星10号飞船附近丢失的相机，国际空间站第一次航天飞机任务STS-88期间丢失的一条毛毯，苏联宇航员在和平号空间站使用期间丢弃的生活垃圾、一支扳手和一支牙刷，宇航员苏妮塔•威廉姆斯在执行前往国际空间站任务STS-116时丢失的相机，海德玛莉•斯蒂法妮斯海恩-派珀在STS-126任务期间丢失的一个公文包大小的工具包。
三、已报废的航天器
废弃的航天器进入大气层烧毁是一个十分漫长的过程。一般来说，距地面300公里的太空垃圾寿命约为1年，600千米时则为数十年，1000千米以上就能存续上百年，到了4000千米往上，太空垃圾可以存在上千年，甚至永久存在。
在轨时间最久的太空垃圾来自美国。1958年，美国将人类第一颗太阳能驱动的人造卫星——前锋1号（Vanguard Ⅰ）发射到中地球轨道，1964年，该卫星停止发送信号，至今仍漂浮在地球轨道上。
前锋一号
另一个报废的卫星的例子，是二十世纪七八十年代苏联海洋雷达侦察卫星RORSAT的遗骸。该卫星被用来监视美国核潜艇在各大洋上的行踪，其BES-5核反应堆是用钠钾合金的冷却环路来回收冷却的，当卫星寿命终止时，就产生了一些潜在问题。一方面，在50年内，冷却剂有8%的概率会泄漏，泄漏后即会冻结成固体钠钾合金微粒，成为太空垃圾碎片。另一方面，数百年后卫星坠入地球，也会造成核污染。
更近的还有2015年2月，美国空军的一颗用于气象研究的军用卫星DMSP-F13，由于电力系统温度急剧上升而突然在轨道上爆炸，产生了至少149个碎片，预计将在轨道上残留数十年。
可以肯定是，这类事件还将持续发生。
残留于地球轨道上的太空垃圾如此之多，很难不担心它们酿成更大的事故。尤其是这些碎片的运行状态各不相同，有的较快，有的较慢，有的轨道距地球较远，有的较近，这些垃圾以及在轨运行的航天器自然存在相撞的可能性。
我们知道，太空垃圾的飞行速度约为7.8千米/秒，如果撞击到航天器表面，质量轻的可能只是留下撞击的凹痕，质量重者则可能穿透航天器，造成部分系统失灵，甚至会使航天器脱轨。为了研究太空中的微流星体和垃圾碎片对航天器造成的伤害，1984年4月，挑战者号航天飞机将圆柱形“长期暴露装置”释放到近地轨道，到1990年1月被回收后检查发现，其表面仅肉眼可见的撞击凹痕就超过3.2万个，相当于每天被撞击15次。
长期暴露装置
对于太空垃圾的危害，美国科学家唐纳德•凯斯勒曾于1978年提出理论假设，即凯斯勒现象或碰撞级联效应。该假设认为，当近地轨道运转物体的密度达到一定程度时，它们在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击，形成级联效应，近地轨道将被危险的太空垃圾所覆盖，从而使得太空环境变得非常危险，甚至在之后的数百年内都无法进行航天活动。
此外，太空碎片进入大气层时会发生燃烧，但较大的碎片可能不会烧毁殆尽，残余的部分落入地球，就会对地球上的生物造成致命威胁。特别是以核能为推动力的航天器碎片，一旦坠入地球，后果将不堪设想。据统计，在2011-2013年，每年都会有400块左右超过10厘米的太空碎片坠入大气层，其中大概有10%最终会坠入地球。
从这个意义上来说，太空垃圾对航天飞行器以及地球上的生命体均会造成威胁。让我们来看一些触目惊心的实例。
撞击航天器。1983年，挑战者号航天飞机被一块0.2毫米的涂料碎片击中，导致舷窗划伤，只好提前返回地球。1986年，阿丽亚娜号火箭进入轨道后不久便爆炸，其残骸使两颗日本通信卫星“命丧黄泉”。阿丽亚娜号火箭的残骸在轨道上阴魂不散，甚至在28年后迫使国际空间站调整飞行轨迹，以避免与其中的一块碎片相撞。而2009年发生的第一次重大卫星碰撞事故更是凯斯勒现象的不幸应验：2月10日，两颗卫星（铱星33号和已经退役的苏联宇宙2251号）相撞，相撞速度约为11.7公里/秒，仅仅4个月后，碰撞产生的太空碎片就已经几乎布满大半个地球上空。
左：铱星33号和宇宙2251号相撞当天；右：相撞4个月后的太空碎片分布。
坠入地球。1978年，苏联的一颗核动力卫星因太空碎片的撞击坠毁在加拿大，产生了严重的核污染，加拿大政府依照空间法索赔600万加元，经过谈判，苏联政府最终支付了300万加元。此次事件不仅致使多人死亡，而且在公众中造成了巨大恐慌。次年，美国“太空实验室计划”的空间站坠入印度洋和澳大利亚西部海域，在这个过程中，导致澳大利亚珀斯附近的居民楼房玻璃被震碎。2003年的哥伦比亚号灾难中，爆炸后的航天器碎片到达地面，在得克萨斯州赛宾县周围16公里的范围内，除了宇航员的遗体之外，还有超过8.3万件碎片被收回，其中的一块十几厘米的金属支架在坠落过程中还砸烂了一家牙医诊所的屋顶；在此期间，NASA一再警告任何残骸都可能含有有害化学品，人们不应接触，但一些当地居民还是无视警告，企图在eBay上高价拍卖捡到的碎片。
一块坠入地球的飞行器模块
实际上，太空垃圾酿成的事故不胜枚举，以上所述仅是九牛一毛而已。
当然，不少文艺作品也表达了对太空垃圾问题的关注。电影《地心引力》正是对凯斯勒现象的绝佳演绎：一颗俄罗斯卫星被导弹击毁，碎片在地球轨道上以极高速度散开，并击中其他卫星，级联效应制造了新的碎片，最终酿成太空灾难。
电影《地心引力》中的卫星遭到太空垃圾碎片撞击
在电影《机器人总动员》中，瓦力与伊娃乘坐飞船冲出地球时，必须钻出厚厚的一层太空垃圾，细心的观众还会发现其中有斯普特尼克1号的身影。
《星空清理者》剧照
电视剧、漫画、音乐等方面的作品也对此均有涉及。1979年的美剧《打捞1》（Salvage 1）中有一位废品回收商，成立了一家太空垃圾打捞公司；1999-2004年的日本漫画《星空清理者》（PlanetES）讲述了在不远的未来，太空垃圾泛滥成灾，严重危及太空站和航天船的安全，一群热爱宇宙之人——帝人公司残骸课的成员登场，负责收集和处理这些太空垃圾，这部漫画2003年的动画版还有对NASA轨道垃圾项目办公室的采访；2009年，美国组合Rhett & Link写了一首名为《太空垃圾》（Space Junk）的歌曲，歌词的主角就是两名负责清理废弃卫星和火箭残骸的太空垃圾清理员。
本文首发于《科幻世界》杂志2019年11期
原文标题：挡住月亮的六便士——太空垃圾那些事
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