像Starlink這樣的衛星可能會(huì )對我們的修復臭氧層構成新的威脅

Starlink等通信公司計劃在未來(lái)十年左右的時(shí)間里將數萬(wàn)顆衛星發(fā)射到地球軌道上。不斷增長(cháng)的蜂群已經(jīng)給天文學(xué)家帶來(lái)了問(wèn)題,但最近的研究提出了另一個(gè)問(wèn)題:當它們開(kāi)始下降時(shí)會(huì )發(fā)生什么?

當這些衛星達到其使用壽命時(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。

根據上周發(fā)表的一項研究由一組美國研究人員稱(chēng),這種衛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 - 地球保護的家園臭氧層。

那是什么意思?根據這項研究,衛星的尾部可以促進(jìn)破壞臭氧層的化學(xué)反應。這沒(méi)有錯,但正如我們將看到的,故事遠非如此簡(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。當自由基產(chǎn)生時(shí),它們會(huì )開(kāi)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,因為它們都分別涉及氧氣以及氮氣、氫氣、氯氣和溴。

這些自由基是在穩定的氣體被紫外線(xiàn)分解時(shí)產(chǎn)生的,紫外線(xiàn)在平流層中有很多紫外線(xiàn)。

氮氧化物 (NOx) 從一氧化二氮開(kāi)始。這是一種由微生物自然產(chǎn)生的溫室氣體,但人類(lèi)化肥制造和農業(yè)增加了空氣中的含量。

HOx循環(huán)涉及來(lái)自水蒸氣的氫自由基。沒(méi)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)反應創(chuàng )造了很大的表面積,并散射了更多的光線(xiàn)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 是導致臭氧層: ”臭氧空洞“由氯氟烴(CFCs)和哈龍引起。這些現在被禁止的化學(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(lái)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(guò)為化學(xué)反應提供表面來(lái)加速化學(xué)反應。結果,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(lái)說(shuō),當周?chē)懈嗟钠搅鲗託馊苣z時(shí),我們可能會(huì )看到更多的臭氧損失。

越來(lái)越金屬化的平流層

墜落衛星具體注入氧化鋁的細節將相當復雜。這不是第一項強調重新進(jìn)入太空垃圾造成的平流層污染日益嚴重的研究。

2023 年,研究人員研究平流層中的氣溶膠顆粒檢測到微量金屬從航天器再入。他們發(fā)現,10%的平流層氣溶膠已經(jīng)含有鋁,并預測在未來(lái)10-30年內,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。

2015年聯(lián)盟號太空艙重返大氣層時(shí)留下的羽流,從國際空間站拍攝。(美國宇航局/斯科特·凱利)

我們不知道這會(huì )產(chǎn)生什么影響。一種可能的結果是,鋁顆粒播種了含有冰顆粒的生長(cháng)。這意味著(zhù)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。

我們也不知道鋁顆粒將如何與平流層中發(fā)現的硫酸、硝酸和水相互作用。因此,我們不能真正說(shuō)出對臭氧損失的影響。

向火山學(xué)習

為了真正了解這些氧化鋁對臭氧損失意味著(zhù)什么,我們需要實(shí)驗室研究,更詳細地模擬化學(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?chē)杆倩旌?,然后向極地移動(dòng)。起初,這些額外的水導致了強烈的日落,但一年后,這些水氣溶膠在整個(gè)南半球被很好地稀釋了,我們再也看不到它們了。

2022 年的 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 噴發(fā)將大量水蒸氣注入平流層。(美國宇航局)

一種稱(chēng)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(zhù)氣溶膠和氣體在平流層中的時(shí)間更短。

1991年著(zhù)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(guò)1500萬(wàn)噸的二氧化硫,這冷卻地球表面大約三年內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(lái)源,該提案旨在通過(guò)故意將硫酸鹽氣溶膠放入平流層來(lái)減緩氣候變化。

許多問(wèn)題仍然存在

與皮納圖博的1500萬(wàn)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——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?

當然,鋁氣溶膠不會(huì )永遠留在平流層中。當它們最終落到地上時(shí),這種金屬污染會(huì )在我們的極地地區造成什么影響?

所有這些問(wèn)題都需要解決。由一些估計,從現在到2030年可能會(huì )發(fā)射超過(guò)50,000顆衛星,因此我們最好盡快解決這些問(wèn)題。

羅賓·斯科菲爾德,副教授兼副院長(cháng)(環(huán)境與可持續發(fā)展),墨爾本大學(xué)

本文轉載自對話(huà)根據知識共享許可。閱讀原文.

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