像Starlink這樣的衛(wèi)星可能會對我們的修復(fù)臭氧層構(gòu)成新的威脅
Starlink等通信公司計劃在未來十年左右的時間里將數(shù)萬顆衛(wèi)星發(fā)射到地球軌道上。不斷增長的蜂群已經(jīng)給天文學(xué)家?guī)砹藛栴},但最近的研究提出了另一個問題:當(dāng)它們開始下降時會發(fā)生什么?
當(dāng)這些衛(wèi)星達(dá)到其使用壽命時,它們將落入地球大氣層并燃燒殆盡。一路上,它們會留下微小的金屬顆粒痕跡。
根據(jù)上周發(fā)表的一項研究由一組美國研究人員稱,這種衛(wèi)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(hù)的家園臭氧層。
那是什么意思?根據(jù)這項研究,衛(wèi)星的尾部可以促進(jìn)破壞臭氧層的化學(xué)反應(yīng)。這沒有錯,但正如我們將看到的,故事遠(yuǎn)非如此簡單。
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(dāng)自由基產(chǎn)生時,它們會開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(wěn)定的氣體被紫外線分解時產(chǎn)生的,紫外線在平流層中有很多紫外線。
氮氧化物 (NOx) 從一氧化二氮開始。這是一種由微生物自然產(chǎn)生的溫室氣體,但人類化肥制造和農(nóng)業(yè)增加了空氣中的含量。
HOx循環(huán)涉及來自水蒸氣的氫自由基。沒有多少水蒸氣進(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)有時會注入大量。
平流層中的水會產(chǎn)生許多小氣溶膠顆粒,這些顆粒為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造了很大的表面積,并散射了更多的光線以形成美麗的日落。(我稍后會回到這兩點。
氟氯化碳如何制造“臭氧空洞”
ClOx 和 BrOx 是導(dǎo)致臭氧層: ”臭氧空洞“由氯氟烴(CFCs)和哈龍引起。這些現(xiàn)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。
氣溶膠通過為化學(xué)反應(yīng)提供表面來加速化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果,平流層中的氣溶膠會釋放活性氯(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,一般來說,當(dāng)周圍有更多的平流層氣溶膠時,我們可能會看到更多的臭氧損失。
越來越金屬化的平流層
墜落衛(wèi)星具體注入氧化鋁的細(xì)節(jié)將相當(dāng)復(fù)雜。這不是第一項強調(diào)重新進(jìn)入太空垃圾造成的平流層污染日益嚴(yán)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(xiàn),10%的平流層氣溶膠已經(jīng)含有鋁,并預(yù)測在未來10-30年內(nèi),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。
我們不知道這會產(chǎn)生什么影響。一種可能的結(jié)果是,鋁顆粒播種了含有冰顆粒的生長。這意味著將有更多更小、更冷、更反光的粒子,其表面積更大,可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
我們也不知道鋁顆粒將如何與平流層中發(fā)現(xiàn)的硫酸、硝酸和水相互作用。因此,我們不能真正說出對臭氧損失的影響。
向火山學(xué)習(xí)
為了真正了解這些氧化鋁對臭氧損失意味著什么,我們需要實驗室研究,更詳細(xì)地模擬化學(xué),并研究顆粒如何在大氣中移動。
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圍迅速混合,然后向極地移動。起初,這些額外的水導(dǎo)致了強烈的日落,但一年后,這些水氣溶膠在整個南半球被很好地稀釋了,我們再也看不到它們了。
一種稱為布魯爾-多布森環(huán)流的全球洋流將空氣向上移動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,這意味著氣溶膠和氣體在平流層中的時間更短。
1991年著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1500萬噸的二氧化硫,這冷卻地球表面大約三年內(nèi)下降了半攝氏度多一點。這一事件是地球工程提案的靈感來源,該提案旨在通過故意將硫酸鹽氣溶膠放入平流層來減緩氣候變化。
許多問題仍然存在
與皮納圖博的1500萬噸相比,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景一樣?
我們也不知道鋁的化學(xué)表現(xiàn)如何。它會產(chǎn)生冰核嗎?它將如何與硝酸和硫酸相互作用?它是否會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(dāng)然,鋁氣溶膠不會永遠(yuǎn)留在平流層中。當(dāng)它們最終落到地上時,這種金屬污染會在我們的極地地區(qū)造成什么影響?
所有這些問題都需要解決。由一些估計,從現(xiàn)在到2030年可能會發(fā)射超過50,000顆衛(wèi)星,因此我們最好盡快解決這些問題。
羅賓·斯科菲爾德,副教授兼副院長(環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展),墨爾本大學(xué)
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