<p class="ql-block"> 中國航天在2023年實(shí)施了67次發(fā)射任務(wù)，位列世界第二，研制發(fā)射了221個(gè)航天器，刷新了中國最高紀(jì)錄。 </p><p class="ql-block"> 2024年中國航天將繼續(xù)保持世界航天老二的地位，將執(zhí)行近70次宇航發(fā)射任務(wù)，發(fā)射290余個(gè)航天器。</p><p class="ql-block"> 世界航天業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，那么航天工程對(duì)地球大氣又有什么影響？這個(gè)問題提上日程上來了。</p><p class="ql-block"> 兩位美國作者試圖了解這個(gè)問題，我們避開他們對(duì)美國的吹捧，耐心地看看他們是怎樣看待航天工程對(duì)地球大氣層影響的，對(duì)我們發(fā)展航天事業(yè)也許有些益處。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><i>2015年俄羅斯聯(lián)盟-FG運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)氧化的煙塵使使羽流發(fā)出耀眼的光。</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="color:rgb(237, 35, 8);"><span class="ql-cursor">?</span> 被忽視的航天污染</b></p><p class="ql-block">(轉(zhuǎn)自《環(huán)球科學(xué)》2021年3月號(hào))</p><p class="ql-block">作者 馬丁 . 羅斯</p><p class="ql-block"> 倫納德 . 戴維</p><p class="ql-block"> 目前美國的航天工業(yè)正在以難得一見的速度創(chuàng)新和發(fā)展，上一次出現(xiàn)這樣的場景還是在上世紀(jì)美國實(shí)施登月計(jì)劃的時(shí)候。50年前，幾乎所有與太空有關(guān)的項(xiàng)目都是在政府資助下進(jìn)行的。而在今天的美國，大多數(shù)太空火箭和衛(wèi)星發(fā)射都已經(jīng)是由企業(yè)或政府-企業(yè)合作完成的。</p><p class="ql-block"> 這樣的變化使得航天工業(yè)的運(yùn)作方式與航空業(yè)越來越相似，比如航天器和運(yùn)載火箭的大規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備的可重復(fù)使用以及定期飛行。分析預(yù)測，到2040年，航天工業(yè)對(duì)全球GDP的貢獻(xiàn)將超過1%。我們有理由認(rèn)為，有朝一日航天工業(yè)將產(chǎn)生與航空業(yè)相媲美的經(jīng)濟(jì)影響力。</p><p class="ql-block"> 自第二次世界大戰(zhàn)以來，出于對(duì)可持續(xù)發(fā)展的考慮,航空業(yè)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)和推進(jìn)器方面取得了一系列重要的進(jìn)步，特別是解決了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排放問題。與50年前的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的煙塵和氣體污染物要少得多。對(duì)航空業(yè)而言，減少飛機(jī)排放既是一種壓力，也是一件好事，因?yàn)樗构こ處煂u輪熱機(jī)打磨到接近理論最高效率的程度，也減少了燃油消耗。這既有利于航空公司，也有益于保護(hù)地球。</p> <p class="ql-block"><i>2024年3月27日我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征六號(hào)改運(yùn)載火箭成功將云海三號(hào)02星發(fā)射升空。</i></p> <p class="ql-block"> </p><p class="ql-block"> </p><p class="ql-block"> <b style="color:rgb(237, 35, 8);">被忽略的廢氣</b></p><p class="ql-block"> 而在航天領(lǐng)域，可持續(xù)發(fā)展的問題并沒有引起太多人的注意。不過，和它的表親（噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)）一樣，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)將各種氣體和微粒排放到大氣中，由此造成區(qū)域性甚至是全球性的影響。即便如此，如果用過于簡單的方式比較噴氣式飛機(jī)和火箭的燃料消耗，也會(huì)讓人們忽略運(yùn)載火箭對(duì)環(huán)境的影響。</p><p class="ql-block"> 此前業(yè)內(nèi)流傳著這樣一種說法：太空火箭每年消耗的燃料只有飛機(jī)的0.1%，因此排放量也只有航空業(yè)的0.1%。但對(duì)太空火箭飛行各個(gè)階段的細(xì)致研究表明，太空火箭排放對(duì)大氣的影響與飛機(jī)排放完全不同，甚至在某些情況下會(huì)導(dǎo)致更加糟糕的后果。</p><p class="ql-block"> 與飛機(jī)不同，航天工業(yè)產(chǎn)生的排放物會(huì)影響每一層大氣。噴氣式飛機(jī)在對(duì)流層的排放物能很快被降水沖刷到地面，而火箭在平流層的排放物只能被緩慢地清除（注：民航飛機(jī)一般在平流層飛行，但它使用的是渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)）。在過去的4~5年里，地球上所有火箭發(fā)射和再入大氣層產(chǎn)生的廢氣導(dǎo)致平流層中的排放物正在逐年累積，而脆弱的臭氧層正位于平流層。</p><p class="ql-block"> 要知道，航天旅行的前景從未像今天這般令人激動(dòng)。航天工業(yè)的進(jìn)步，包括高性能小型衛(wèi)星、低地軌道（LEO)巨型衛(wèi)星星座、新型火箭推進(jìn)劑等方面，正在推動(dòng)21世紀(jì)“新太空”的發(fā)展。這些進(jìn)步或許可以讓我們實(shí)現(xiàn)長期以來的夢想，即讓太空旅行變得像乘坐飛機(jī)旅行一樣容易。</p><p class="ql-block"> 但問題是，這些新技術(shù)是否能夠支撐航天工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展？</p><p class="ql-block"> 與噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣一樣，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的成分主要是二氧化碳和水蒸氣，而它們對(duì)全球氣候的影響是已知的。在任何高度排放的二氧化碳都是“長壽命的”溫室氣體，會(huì)增加大氣中的溫室氣體含量。水蒸氣則是“短壽命的”溫室氣體?；鸺龔U氣中的這些成分僅是航空業(yè)二氧化碳和水排放量的1%。盡管它們目前的影響還很小，但火箭排放中其他一些少量物質(zhì)則需要更進(jìn)一步的研究。</p><p class="ql-block"> 值得注意的是，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑（高氯酸銨）中的氯可能也會(huì)影響平流層中的臭氧。20年前，美國航空航天局（NASA）的飛機(jī)對(duì)火箭羽流做過直接采樣，結(jié)果表明：固體火箭羽流會(huì)產(chǎn)生臭氧“小孔”，并在發(fā)射后持續(xù)數(shù)天。不過，隨著充滿氯氣的羽流混入整個(gè)平流層,這些小孔就會(huì)消失。與臭名昭著的氯氟烴所釋放的氯氣相比，固體火箭每年排放的氯氣很少并且壽命很短。目前看來，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氯很可能不會(huì)對(duì)臭氧層構(gòu)成嚴(yán)重威脅。</p><p class="ql-block"> 科學(xué)家已經(jīng)弄清楚了火箭發(fā)射產(chǎn)生的二氧化碳、水和氯氣對(duì)氣候和臭氧的影響。所有相關(guān)研究都表明，與其他污染物相比，這些物質(zhì)的影響微不足道，幾乎被淹沒在全球大氣變化的背景噪聲中。即使這些物質(zhì)的排放量再增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，它們產(chǎn)生的影響仍然很小。但是，火箭廢氣中的其他成分——黑碳煙灰和氧化鋁顆粒，可能會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生重大影響。</p> <p class="ql-block"><i>2020年7月23日我國在文昌文昌航天發(fā)射城用長征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功將火星探測任務(wù)一號(hào)探測器發(fā)射到預(yù)訂軌道。</i></p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(237, 35, 8);"> 顆粒物排放</b></p><p class="ql-block"> 火箭發(fā)射會(huì)產(chǎn)生壯觀的排氣羽。碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的“火焰”主要是顆粒物在熱羽流中氧化時(shí)發(fā)出的耀眼光芒?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)中煙塵的產(chǎn)生過程十分復(fù)雜，科學(xué)家還沒有完全了解。煙塵在富燃料的燃燒室、燃料冷卻噴嘴壁和渦輪燃?xì)獍l(fā)生器中都會(huì)形成，其中一部分在熱羽流中被消耗。與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)沒有這么復(fù)雜，并且燃燒得非常干凈。一些以碳?xì)浠衔餅槿剂系幕鸺l(fā)動(dòng)機(jī)每燃燒一千克燃料，產(chǎn)生的煙灰要比噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)多出數(shù)百倍。并且，噴氣式飛機(jī)只是偶爾在平流層飛行，但每次火箭發(fā)射都要穿過平流層。</p><p class="ql-block"> 我們?yōu)槭裁磽?dān)心平流層的煙塵呢？因?yàn)檫@些黑色的物質(zhì)吸收陽光的效率非常高。黑碳煙灰吸收的能量會(huì)轉(zhuǎn)移到周圍的空氣中，這相當(dāng)于一個(gè)熱源，會(huì)使平流層變暖，進(jìn)而悄然改變?nèi)虼髿庋h(huán)。而且，由于平流層中的臭氧濃度與溫度成反比，平流層變暖還會(huì)消耗臭氧層。那么，目前火箭發(fā)射產(chǎn)生的黑炭煙灰是否會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生重大影響？我們還不清楚，因?yàn)榭茖W(xué)家才剛剛擁有研究這一問題的氣候模型。</p><p class="ql-block"> 與以碳?xì)浠衔餅槿剂系陌l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的羽流相比，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的羽流甚至更明亮。固體火箭火焰的來源是從噴嘴噴出的白熱氧化鋁滴。與氯氣排放一樣，固體火箭羽流也會(huì)擴(kuò)散并最終混入全球大氣中。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，科學(xué)家從赤道到極點(diǎn)的隨機(jī)平流層空氣采樣中都發(fā)現(xiàn)了火箭噴出的氧化鋁顆粒。20世紀(jì)90年代，研究人員發(fā)現(xiàn)了氧化鋁顆粒表面是如何破壞臭氧的，但是我們目前并不清楚氧化鋁對(duì)臭氧的具體消耗量有多少。此外，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)排放破壞臭氧的氯氣?？梢哉f,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在這兩方面對(duì)臭氧產(chǎn)生了影響，而科學(xué)家對(duì)此的認(rèn)識(shí)非常有限。2018 年世界氣象組織(World Meteorological Organization）對(duì)臭氧的評(píng)估承認(rèn)了我們?cè)谶@一問題上的理解仍有大量不足，并指出“必須推動(dòng)進(jìn)一步的研究”。</p><p class="ql-block"> 美國航天飛機(jī)使用了有史以來發(fā)射的最大型固體火箭。人們經(jīng)常錯(cuò)誤地認(rèn)為，航天飛機(jī)退役后就不再使用大型固體火箭了，但實(shí)際上，在全球范圍內(nèi)，固體火箭發(fā)射越來越多。NASA的新一代太空發(fā)射系統(tǒng)（The Space Launch System，SLS）將在2021年11月首次發(fā)射升空，它使用的就是直徑達(dá)3.66米的固體火箭，這也將成為有史以來升空的最大型固體火箭。還有一款火箭將比SLS還要大，那是中國計(jì)劃在2025年發(fā)射直徑達(dá)3.96米固體火箭。總之，我們還缺乏相關(guān)研究，對(duì)固體火箭對(duì)平流層和臭氧層的危害認(rèn)識(shí)不足。</p> <p class="ql-block"><b style="color:rgb(237, 35, 8);"> “再入大氣層”后遺癥</b></p><p class="ql-block"> 火箭離開大氣層后，污染并沒有停止。被遺棄的航天器的某些部分將在再入大氣層時(shí)幸存下來，并落到地面.大多數(shù)再入大氣層的物質(zhì)都會(huì)蒸發(fā)成高溫氣體，并迅速冷凝成小顆粒噴霧。因此，與發(fā)射一樣，此時(shí)形成的明亮羽流也意味著隨之產(chǎn)生的顆粒。相比于發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)成分簡單的粒子，再入大氣層的垃圾產(chǎn)生的各種粒子成分更加復(fù)雜。推進(jìn)劑箱、計(jì)算機(jī)、太陽能電池板和其他特殊材料將在85千米左右的高空中產(chǎn)生各種顆粒，然后向下飄落，并與發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的煙灰、氧化鋁一起在平流層中積累。可見，再入大氣層與發(fā)射是一樣的，都會(huì)產(chǎn)生排放。</p><p class="ql-block"> 未來，占據(jù)低地球軌道的巨型衛(wèi)星星座越來越多，而每個(gè)衛(wèi)星星座中都有成千上萬顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星一般通過“大氣再入汽化”實(shí)現(xiàn)報(bào)廢。一旦這些衛(wèi)星星座部署就位,每年將有數(shù)百噸失效的衛(wèi)星需要報(bào)廢。這些衛(wèi)星的大部分物質(zhì)都會(huì)在重新進(jìn)大氣層的燃燒過程中被消滅殆盡，但它們也會(huì)在大氣層中產(chǎn)生大量顆粒。衛(wèi)星再入大氣層時(shí)如何產(chǎn)生顆粒？顆粒物的微觀物理是怎樣的？“再入塵”對(duì)地球氣候和臭氧產(chǎn)生了哪些影響？對(duì)于這些問題，科學(xué)家的了解都不深入?，F(xiàn)在，航天工業(yè)的發(fā)展讓人聯(lián)想到航空業(yè)的早期階段。一旦某項(xiàng)技術(shù)在市場上變得成熟，就沒有什么能限制它在應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)張。像航空業(yè)一樣，航天工業(yè)的推進(jìn)系統(tǒng)也在向大氣中排放氣體和顆粒。但是，這兩個(gè)行業(yè)對(duì)地球大氣的影響截然不同。</p><p class="ql-block"> 在可預(yù)見的未來，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的二氧化碳排將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。人們用傳統(tǒng)方式對(duì)航天工業(yè)進(jìn)行的“碳足跡”計(jì)算說明了這一點(diǎn)。雖然這是出于好意，但可能仍然具有誤導(dǎo)性，因?yàn)槎趸疾皇翘瘴廴镜闹饕剖?。與二氧化碳排放相比，火箭發(fā)射和空間碎片再入大氣層產(chǎn)生的粒子對(duì)大氣化學(xué)、動(dòng)力學(xué)和輻射的影響要大得多。對(duì)航天工業(yè)而言，碳足跡是一個(gè)復(fù)雜的問題，還需要更深入的研究。</p><p class="ql-block"> 最近有關(guān)低地球軌道衛(wèi)星亮度的爭論表明，可持續(xù)性應(yīng)該成為空間系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。提前評(píng)估空間系統(tǒng)生命周期的每個(gè)階段對(duì)環(huán)境的影響，將更容易保證空間系統(tǒng)的無障礙使用。這也是航空業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的思考。部署后出現(xiàn)的環(huán)境問題會(huì)引發(fā)監(jiān)管；而在部署之前進(jìn)行全面而完整的分析能避免觸發(fā)監(jiān)管問題。</p><p class="ql-block"> 諷刺的是，太空為人類反思自己管理地球的方式提供了新視角——人們通常認(rèn)為，全球環(huán)保主義的興起與阿波羅8號(hào)上拍攝的“地球升起”有關(guān)。但是，科學(xué)家對(duì)太空工業(yè)自身的排放知之甚少，因此還無法回答與太空工業(yè)的環(huán)境影響和可持續(xù)性發(fā)展的一些基本問題。參考航空工業(yè)，我們需要建立一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目，包括對(duì)發(fā)射和大氣層再入產(chǎn)生的羽流的測量，對(duì)羽流從剛產(chǎn)生到與全球大氣穩(wěn)定混合過程的模型模擬，以及對(duì)從發(fā)射到大氣層再入產(chǎn)生的各種粒子的微觀物理性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測量。這項(xiàng)工作需要政府和企業(yè)合作開展。</p><p class="ql-block"> 在可持續(xù)性發(fā)展成為全世界的共同目標(biāo)之際，航天工業(yè)有望成為全球經(jīng)濟(jì)的重要組成部分?？沙掷m(xù)性的太空產(chǎn)業(yè)將是什么樣子？空間發(fā)展未來的監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)在哪里？只有對(duì)航天工業(yè)排放進(jìn)行持續(xù)的、全球協(xié)調(diào)的科學(xué)研究，我們才能找到這些問題的答案?！?lt;/p>