蓝色起源与SpaceX和维珍银河太空竞赛如何影响大气

经过数十年的停滞，航天工业正在起飞。

主要受埃隆马斯克的 SpaceX 和中国快速发展的太空计划的推动，2018 年全球共进行了 114 次轨道发射，这是自 1990 年以来的首次三位数。今年，轨道发射次数有望首次超过 130 次。 1970 年代。而且这个数字不包括杰夫贝索斯的蓝色起源和理查德布兰森的维珍银河最近的亚轨道旅游。

在美国宇航局计划其登月计划、SpaceX 建造一个巨大的互联网卫星“巨型星座”、中国在空间站上载人以及亚轨道公司将游客送到太空边缘之间，发射可能很快就会成为日常。

但是，新的太空热潮会给地球带来代价吗?

英国诺丁汉特伦特大学空间物理学讲师伊恩·惠特克 (Ian Whittaker) 表示：“虽然我们显然确实需要太空发射和卫星，但当谈到太空旅游等事情时，你就会开始考虑对环境的影响。”

研究人员正在通过研究由不断增多的火箭喷出的二氧化碳、烟尘、氧化铝和其他颗粒的整体混合物，来弄清楚地球可能如何对更多滚滚的火箭尾气做出反应。

到目前为止，刚刚起步的航天工业并未严重威胁环境，可能还有增长空间。然而，随着新太空竞赛的加速，这种情况是否会发生变化，这是任何人的猜测。

航空航天公司的大气科学家马丁·罗斯说：“我认为目前我们对未来的了解还不够多。我们只是还没有这些信息。”

对二氧化碳和气候变化的影响

随着世界努力摆脱化石燃料，一个新行业的兴起——尤其是一个涉及从强大发动机中喷涌而出的巨大云彩的行业——似乎令人不安。

大多数火箭确实比许多飞机排放出更多的温室气体碳。在维珍银河的太空飞机上体验几分钟的失重，其碳足迹将与横跨大西洋的商务舱相媲美，而 SpaceX 即将推出的完全可重复使用的星际飞船的一次轨道发射将排放与连续飞行大约三年的飞机一样多的二氧化碳，根据惠特克的粗略计算。

维珍银河的一位发言人表示，该公司“正在研究抵消未来客户航班碳排放的机会。”尽管SpaceX公司还没有对碳排放直接评论，麝香已经支持碳税政策。Blue Origin 表示，其 New Shepard 火箭使用氢和氧等无碳燃料。

但商用飞机的飞行次数远多于太空发射——分别为3900 万次和2018 年的114次——即使在最雄心勃勃的情况下，航天工业也无法赶上。今天，火箭总共燃烧的燃料大约是飞机的0.1%，相比之下，它们的碳排放量是一个四舍五入的误差。

然而，惠特克指出，这种计算忽略了太空发射中使用的大量燃料的生产、运输和冷却过程中未知但可能相当大的碳足迹。

“虽然它与航空不匹配，但它仍然是一个很大的附加组件，”他说。

为实现碳中和，他希望该行业能效仿 Blue Origin 的做法，使用无碳燃料，并通过在当地使用可再生能源生产燃料来实现绿色运营。

什么火箭留在大气中

“如果二氧化碳不是作用所在，那就是粒子，”罗斯说，他花了数十年时间研究发射对环境的影响。

从火箭发动机喷出的炽热火焰表明车辆的燃烧正在产生烟尘，技术上称为“黑碳”。任何燃烧煤油或甲烷等碳基燃料的火箭都会将这些颗粒直接注入大气层的上游，在那里它们可能会循环四到五年。

在那里，不断增长的烟灰层就像一把精致的黑色雨伞。它吸收太阳辐射并有效地阻止阳光到达地球表面，就像旨在暂时冷却地球的地球工程计划可能奏效一样。美国宇航局即将推出的太空发射系统和中国长征 11 号飞行器所使用的固体火箭发动机发出的闪亮氧化铝颗粒通过反射阳光加剧了这一现象。

这个意外实验的影响是未知的——除了它们可能是实质性的。罗斯和一位同事在 2014 年进行的一项简单模拟发现，数十次火箭发射的主要冷却效应已经与数百万次商业飞行释放的二氧化碳的变暖效应相匹配。

这并不是说航天工业消除了飞行对环境的影响。罗斯说，向大气中注入新粒子会产生复杂的影响。例如，他们的粗略模型发现，火箭发射使某些地区的温度降低了 0.5 摄氏度，而北极地区的温度则升高了 1 摄氏度以上。并且模拟并未尝试包括副作用，例如发射是否会产生或杀死云。罗斯说，更复杂的建模可以揭示排气颗粒最终会使变暖变得更糟。

其他排放物和臭氧

太空发射也让一些研究人员感到担忧，因为火箭将它们的废气直接排放到平流层，臭氧层是阻挡有害紫外线的保护性臭氧层的所在地。

大多数固体火箭发动机都会排放氧化铝颗粒和氯气，这会促进将臭氧分解为分子氧的化学反应。SpaceX 和 Blue Origin 已转向使用液体燃料，这种燃料往往破坏性较小，但仍有副产品，包括水蒸气和氮氧化物，它们在高层大气中循环的几年中会消耗臭氧。

“它们并非无害，”伦敦大学学院的大气研究员埃洛伊斯·马赖斯 (Eloise Marais) 说。“它们确实对大气产生了影响。”

Marais 正在对当前的火箭燃料组合如何在不久的将来使臭氧层变薄进行预测。她研究了当前发射的影响，以及太空旅游被证明足够流行和可靠以支持每天几次亚轨道发射和每周一次轨道发射的推测性场景的影响。

Marais 说，这些计算需要在发布前进行验证，但初步结果表明，虽然今天的发射对臭氧的影响很小，但蓬勃发展的太空旅游业可能会开始改变这种状况。

“这是一个足够大的影响，我认为我们可能会担心这个行业的增长是否超出了我们的推测，”她说。

这些公司未来多久推出一次仍不确定。维珍银河表示，它希望最终每年运营400 次航班。SpaceX 设想Starship在一个小时内在主要城市之间穿梭乘客，与商业航空公司竞争。

平衡空间进展与环境问题

进入太空已经彻底改变了天气预报、通信技术和研究人员了解人类活动如何改变地球气候的能力。它还使国际空间站和一系列太空望远镜等天基设施能够开展变革性的基础研究。

未来，蓬勃发展的航天工业可以开启从清洁、基于太空的太阳能到小行星采矿的实际项目，并支持在太阳系中寻找生命和其他科学努力。

像罗斯这样的研究人员不想阻止这一进展。相反，他们希望通过提前识别潜在的环境问题来帮助实现这一目标。今天的胚胎航天工业大多是无害的，罗斯建议环境研究计划可以帮助它在成熟时保持这种状态。

平流层飞机可以直接对火箭羽流进行采样，以准确了解它们吐出的是什么，而卫星和地面天文台则可以观察大气层以了解发射的短期、中期和长期影响。还有一些不为人知的废弃卫星“燃烧”的影响，并将大量金属颗粒倾倒到高层大气中。超级计算机可以运行综合模拟，以确定可以安全地进行哪些级别和类型的太空活动。

“我们希望避免一个令人惊讶的未来，”罗斯说。“我们现在想说，航天工业可以以可持续的方式向前发展。”