温室气体不仅使我们的地球变暖，还在重塑太空本身。 随着排放物的冷却和热层的缩小，卫星受到的阻力减少，从而使更多的太空垃圾得以在轨道上徘徊。每年都有数以千计的新卫星发射升空，这种拥挤状况可能会导致轨道交通堵塞，增加灾难性碰撞的风险。 专家预测，如果排放继续得不到控制，到 2100 年，太空将变得如此拥挤，以至于未来的任务难以为继。

这张长时间曝光的照片由宇航员唐-佩蒂特（Don Pettit）在国际空间站（ISS）上拍摄，展示了地球城市的灯光、高层大气的气流和条纹状的星星。 中心的亮光是 SpaceX 的 Starlink 卫星在低地球轨道上反射的阳光。 资料来源：美国国家航空航天局

缩小的太空： 温室气体威胁卫星的可持续性

麻省理工学院（MIT）的航空航天工程师发现，温室气体排放正在改变近地空间，而这种改变可能会大大减少能够在那里长期可持续运行的卫星数量。

他们的研究发表在Nature Sustainability上，揭示了二氧化碳和其他温室气体正在导致高层大气收缩。 这种效应在热层尤其令人担忧，而热层正是包括国际空间站在内的大多数卫星运行的区域。 随着热层的收缩，空气密度会降低，进而减少大气阻力。 通常，这种阻力有助于清除太空碎片，将老旧卫星和垃圾拉到低空，在重返大气层时燃烧殆尽。

太空垃圾危机： 为什么阻力越小越麻烦？

阻力减少，空间碎片在轨道上停留的时间就会延长，从而增加拥挤程度和碰撞风险。

为了了解长期影响，麻省理工学院的研究小组对碳排放如何影响高层大气和轨道动力学进行了模拟。 他们的模型预测，到 2100 年，由于大气层的变化，"卫星承载能力"--能够在低地球轨道上安全运行的卫星数量--可能会减少 50% 到 66%。

气候变化与太空运行： 微妙的平衡

研究报告的作者、麻省理工学院航空航天系（AeroAstro）副教授理查德-利纳雷斯（Richard Linares）说："过去 100 年来，我们在地球上使用温室气体的行为对未来 100 年的卫星运行方式产生了影响。"

第一作者威廉-帕克（William Parker）是航空航天专业的一名研究生，他补充说："由于气候变化打破了大气层的现状，高层大气正处于脆弱状态。与此同时，发射的卫星数量也在大幅增加，尤其是用于从太空提供宽带互联网的卫星。 如果我们不小心管理这些活动并努力减少排放，太空可能会变得过于拥挤，导致更多的碰撞和碎片。"

这项研究的共同作者包括伯明翰大学的马修-布朗（Matthew Brown）。

Skyfall： 热层的自然周期与人类影响

热层每 11 年自然收缩和膨胀一次，以应对太阳的常规活动周期。 当太阳活动较弱时，地球接收到的辐射较少，其最外层大气会暂时冷却和收缩，然后在太阳活动最强时再次膨胀。

20 世纪 90 年代，科学家们想知道热层对温室气体会有什么反应。 他们的初步建模显示，虽然温室气体在低层大气中捕获热量，我们在低层大气中感受到全球变暖和天气变化，但同样的温室气体在更高的高度辐射热量，有效地冷却了热层。 研究人员预测，随着这种冷却，热层应该缩小，从而降低高空的大气密度。

跟踪大气变化： 卫星揭示大气变化

在过去的十年中，科学家们已经能够测量卫星阻力的变化，这提供了一些证据，表明热大气层的收缩不仅仅是太阳11年自然周期的反应。

帕克说："天空真的在下降--只是下降的速度只有几十年的规模。我们可以从卫星所受阻力的变化中看出这一点。"

麻省理工学院的研究小组想知道，这种反应将如何影响能够在地球轨道上安全运行的卫星数量。 目前，有超过 10000 颗卫星在低地轨道上漂移，低地轨道是指距离地球表面 1200 英里（或 2000 公里）以内的空间区域。 这些卫星提供基本服务，包括互联网、通信、导航、天气预报和银行业务。 近年来，卫星数量急剧增加，这就要求操作人员定期进行避免碰撞的操作，以确保安全。 任何碰撞都会产生碎片，这些碎片会在轨道上停留几十年或几百年，从而增加与新旧卫星发生后续碰撞的几率。

帕克说："过去五年发射的卫星数量超过了前 60 年发射卫星数量的总和。我们试图了解的一个关键问题是，我们今天所走的道路是否可持续。"

拥挤的"外壳"： 模拟空间交通的未来

在新研究中，研究人员模拟了下个世纪不同的温室气体排放情景，以研究对大气密度和阻力的影响。 对于每个"外壳"或感兴趣的高度范围，研究人员根据外壳内物体的数量模拟了轨道动力学和卫星碰撞风险。 他们用这种方法来确定每个外壳的"承载能力"--这个术语通常用于生态学研究，描述生态系统所能支持的个体数量。

帕克解释说："我们正在利用承载能力的概念，将其转化为空间可持续性问题，以了解低地球轨道能够支持多少颗卫星。"

研究小组比较了几种情况：一种情况是温室气体浓度保持在 2000 年的水平，另一种情况是根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的"共享社会经济路径"（SSPs）改变排放量。 他们发现，排放量持续增加的情景将导致整个低地轨道的承载能力大大降低。

失控的不稳定性： 前方的连环碰撞

特别是，研究小组估计，到本世纪末，与排放量保持在 2000 年水平的情况相比，可安全容纳在 200 和 1000 公里高度范围内的卫星数量可能会减少 50% 至 66%。 研究人员预测，如果卫星容量被超过，即使是在一个局部地区，该地区也会出现"失控不稳定性"，或一连串的碰撞，从而产生大量碎片，使卫星无法再在那里安全运行。

研究小组预测，2100 年之前，大气层中的某些空壳已经挤满了卫星，尤其是最近的"巨型星群"，如太空探索技术公司（SpaceX）的星链（Starlink），该星群由数千颗小型互联网卫星组成。

利纳雷斯说："巨型人造卫星星座是一种新趋势，我们发现，由于气候变化，我们的轨道容量将会减少。而在局部地区，我们如今已接近这一容量值。"

"我们依靠大气层来清理碎片。 如果大气层正在发生变化，那么碎片环境也会发生变化，"帕克补充说。"轨道碎片的长期前景严重依赖于遏制我们的温室气体排放"。

编译自/ScitechDaily