美“太空三巨头”竞争加剧 太空发射成为全球变暖新推手

投稿时间:2021-08-28  消息来源:  提交者:古姿女郎

编者按:航天工业在经历了数十年的停滞之后正在重新腾飞。在埃隆・马斯克(Elon Musk)旗下太空公司SpaceX的推动下,2018年全球共进行了114次轨道发射,这是自1990年以来首次超过三位数。今年,轨道发射有望自20世纪70年代以来首次超过130次,这还不包括杰夫・贝索斯(Jeff Bezos)蓝色起源和理查德・布兰森(Richard Branson)维珍银河最近的亚轨道飞行。
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美国宇航局(NASA)计划重返月球,SpaceX建造了庞大的太空卫星互联网,亚轨道公司希望尽快将大批游客送到太空边缘,轨道发射可能很快就会成为常态。但是,新的太空热潮会给地球带来什么影响?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:“虽然我们显然需要太空发射和卫星,但当涉及到太空旅游等事情时,你会开始考虑对环境的影响。”
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研究人员正在争先恐后地研究各种火箭制造的二氧化碳、烟尘、氧化铝和其他颗粒物混合物,以求弄清楚更多火箭废气和废物会对地球造成什么样的影响。到目前为止,航天工业的发展并没有严重威胁环境,可能还有继续增长的空间。然而,随着新一轮太空竞赛的加速,这种情况是否会改变,还是个未知数。

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The Aerospace Corp大气科学家马丁・罗斯(Martin Ross)说:“我认为我们目前知道的还不够多,无法准确地规划出未来应该是什么样子。我们只是还没有这方面太多的信息。”
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对二氧化碳和气候变化的影响
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在世界努力摆脱化石燃料的同时,一个新行业的崛起可能看起来令人担忧,特别是这个行业还涉及巨型发动机喷出大量各类气体。
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大多数火箭确实比许多飞机排放更多的全球变暖碳。根据惠特克的粗略计算,在维珍银河亚轨道飞船上经历几分钟的失重将产生相当于飞越大西洋的商务飞机的碳足迹,SpaceX即将推出的完全可重复使用的星际飞船,每次轨道发射将排放相当于连续飞行大约三年的二氧化碳排放量。
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维珍银河发言人说,该公司“正在研究为未来飞行抵消碳排放的机会”。虽然SpaceX没有直接对碳排放发表评论,但马斯克支持碳税政策。蓝色起源强调,其“新谢泼德号”(New Shepard)火箭使用氢气和氧气等无碳燃料。
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但是,商用飞机飞行的数量远远多于太空发射,2018年分别为3900万次和114次。即使是最雄心勃勃的情况,航天行业也赶不上飞机的碳排放量。今天,火箭总共消耗的燃料大约是飞机的0.1%,显得微不足道。但惠特克指出,这样的计算忽略了太空发射中使用的大量燃料的生产、运输和冷却所产生的未知的、但可能惊人的碳足迹。
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他说:“虽然这些仍不能与商业飞机匹敌,但数量相当可观。”为了实现碳中性,惠特克希望该行业能够效仿蓝色起源的做法,使用无碳燃料,并通过在当地利用可再生能源生产燃料来实现绿化运营。
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火箭在大气层中留下了什么?
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罗斯说:“除了二氧化碳,轨道发射还留下了大量颗粒物。”罗斯花了几十年的时间研究发射对环境的影响。
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火箭发动机冒出的炽热火焰表明,火箭燃烧产生了烟尘,从技术上讲,这种烟尘被称为“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存在四到五年。
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在那里,不断增长的烟尘层就像一把精致的黑色雨伞。它会吸收太阳辐射,有效地阻止阳光到达地球表面,这很像拟议中的旨在暂时冷却地球的地球工程方案可能起到的作用。NASA即将推出的太空发射系统(SLS)运载火箭使用固体发动机,会释放出闪闪发光的氧化铝颗粒,可以反射阳光,这加剧了这种现象。
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罗斯和他的一位同事在2014年进行了一次简单的模拟,发现数十次火箭发射产生的主要降温效应已经可与数百万次商业飞行释放的二氧化碳变暖效应相匹配。
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但这并不是说航天工业抵消了飞机飞行对环境的影响。罗斯说,向大气中注入新的颗粒物会产生复杂的影响。例如,他们的粗略模型发现,火箭发射使某些地方的温度降低了0.5摄氏度,而北极的温度却升高了1摄氏度以上。而且模拟并没有试图包括副作用,比如发射是否会产生或消灭云层。罗斯说,更复杂的模型可以揭示,总的来说,废气颗粒最终会使变暖变得更糟。
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其他排放和臭氧
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太空发射也让许多研究人员感到担忧,因为火箭会将废气直接排入平流层,而平流层是保护臭氧层的地方,臭氧层可以阻挡有害的紫外线。
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大多数固体火箭发动机都会排放氧化铝颗粒和氯气,这会促进化学反应,将臭氧分解成分子氧。SpaceX和蓝色起源已经转向液体燃料,这种燃料的破坏性往往较小,但仍然有副产品,包括水蒸气和氮氧化物,它们在高层大气中循环的几年里会消耗臭氧。
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伦敦大学学院的大气研究员埃洛伊丝・玛莱斯(Eloise Marais)说:“它们不是无害的,确实对大气层产生影响。”玛莱斯正在进行预测,目前的火箭燃料组合将来可能会如何稀释臭氧层。她研究了当前发射的影响,以及太空旅游被证明足够受欢迎和足够可靠,足以支持每天几次亚轨道发射和每周一次轨道发射的影响。
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玛莱斯说,这些计算结果需要在发表之前得到验证。但初步结果表明,虽然今天的发射对臭氧几乎没有影响,但蓬勃发展的太空旅游业可能会开始改变这一点。她称:“这可能会产生足够大的影响,我认为如果该行业的增长超出了我们的猜测,我们应该会为此感到担心。”
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这些公司未来将间隔多久进行一次发射仍不确定。维珍银河表示,希望最终每年发射400次。SpaceX设想星际飞船在不到一小时的时间内往返于主要城市之间,与商业航空公司竞争。
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在太空进展和保护环境之间寻找平衡
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进入太空使天气预报、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发生了革命性的变化,它还使国际空间站和一批太空望远镜等天基设施能够进行变革性的基础研究。将来,蓬勃发展的太空工业可能会支持天基太阳能到小行星采矿等项目,并支持在太阳系寻找生命和其他科学努力。
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像罗斯这样的研究人员不想阻止这一进展。相反,他们希望通过提前发现潜在的环境问题来帮助实现这些目标。今天刚刚起步的太空工业基本上是无害的,罗斯认为环境研究项目可以帮助它在成熟后继续保持这种状态。
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平流层飞机可以直接对火箭羽流进行采样,以准确了解它们喷出的东西,而卫星和地面天文台则可以观察大气层,了解发射的短期、中期和长期影响。还有报废卫星“烧毁”和向高层大气倾倒数吨金属粒子的未知影响。超级计算机可以运行全面的模拟,以确定哪些级别和类型的太空活动可以安全地进行。
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罗斯说:“我们希望避免令人痛心的糟糕未来。我们想说的是,现在太空工业可以以可持续的方式向前推进。”
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