快速增长的巨型卫星星座（如图片右上角的星链集群），在重返大气时，可能对地球的臭氧保护造成威胁。图片来源：M Lewinsky/CC BY 4.0
编译 | 王昱审校 | 不周
从天气预报到导航，卫星对于我们今天的生活越来越重要。随着太空运输能力的提升，越来越多的大型卫星星座出现在了地球轨道上。
任何事物都有自己的寿命，卫星也是。一旦卫星的运行周期结束，国际准则建议它应在25年内重返大气层，尽量降低它与其他卫星碰撞的风险。卫星通常会在再入大气层时烧毁，不会对地面造成影响，也让出了宝贵的轨道资源。
卫星再返回大气层时，会损失51%到95%的质量。但这些质量不是凭空消失了，而是在剧烈的摩擦中，成为了漂浮在大气层中的颗粒物。而最近发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上的一篇论文显示，这些颗粒物可能会对地球高空环境造成威胁，消耗臭氧，延缓臭氧空洞的恢复。
臭氧空洞
太阳光中含有紫外线，当紫外线照射氧气分子时，有可能触发反应，合成臭氧分子。这种反应在地球的平流层中制造了一层臭氧层，可以阻挡太阳辐射中大部分的紫外线，尤其是对生物有害的短波紫外线和中波紫外线。这两种紫外线会对生物的DNA造成损伤、增加癌症风险。而臭氧在阻挡紫外线的过程中，它也可能会被分解成氧气分子。总体而言，平流层的臭氧水平会处在一种动态平衡中。
但人类的干扰会破坏这种平衡，比如向大气中排放的氟利昂。氟利昂在空调、冰箱中充当制冷剂，但它在进入臭氧集中的平流层后，会因紫外线的照射产生氯原子，氯原子则能催化臭氧的分解，这造成了臭氧层空洞。自1987年全球多国签署《蒙特利尔议定书》（Montreal Protocol），停止使用氟利昂作为制冷剂以来，臭氧层已经开始逐步恢复。按照现在的趋势，南极上空、北极上空和世界其他地区的臭氧层，分别将于2066年左右、2045年、2040年左右恢复到出现臭氧层空洞之前的水平。
臭氧水平在《蒙特利尔议定书》签署后于1990年代稳定下来，并已开始恢复。预计它们将在2075年之前达到1980年之前的水平。图片来源：NASA
纳米催化剂
但越来越多的卫星正在改变这种情况。铝是航天领域最常用的金属之一，很多运载火箭、卫星都用铝金属制作而成。一般来说，卫星质量的1/3都是铝。当卫星再入大气层时，高温高速气流摩擦产生的铝金属颗粒会和周围的氧气反应生成氧化铝颗粒。但原本卫星上完整的金属铝，在重返大气层时，究竟是怎么变成这些氧化铝颗粒的？这些氧化铝颗粒又有多大？
为了探究这些问题，研究人员展开了原子尺度的分子动力学模拟，其中涉及了960到1360个铝原子。研究人员让氧分子以每秒2千米的速度撞击铝原子，这是卫星再入大气层时的典型速度。结果发现，由此产生的氧化铝颗粒直径预期值为4.1纳米。
地球臭氧主要分布在15千米到40千米高的平流层。而上述的氧化铝颗粒在超过80千米的高空产生，由于尺度太小，黏滞作用较强，需要30年才能降落到这个高度。而一旦到达臭氧富集的平流层，这些氧化铝颗粒就能长期停留在这里。
原子尺度的分子动力学模拟。图片来源：原论文
虽然这种颗粒本身没有活性，但是它表面积较大，热稳定性极好，能让它成为分解臭氧的催化剂。和氟利昂一样，纳米氧化铝颗粒都需要借助氯原子分解臭氧。在纳米氧化铝颗粒的表面，人类排放到大气中的氯气分子可以转化成氯原子，高层大气中纳米氧化铝纳颗粒的浓度越高，就越有可能发生这个过程。接下来的过程，就和氟利昂一样了，氯原子会和臭氧分子产生一氧化氯和氧气（Cl + O₃ → ClO + O₂），一氧化氯与氧原子反应重新生成氯离子和氧气（ClO + O → Cl + O₂），氯原子能催化臭氧分解。
对于一个250千克，铝金属质量占总质量30%的卫星，再入大气过程中会有32%的铝转变成氧化铝颗粒——也就是生成30千克左右的氧化铝颗粒簇。从2016年到2022年，卫星再入大气层产生的氧化铝增长了8倍，仅2022年一年，卫星再入大气层就产生了大约17吨的氧化铝颗粒。
考虑到未来的巨星星座，情况可能会更加严峻。未来大气层中氧化铝颗粒的浓度，可能会上升到自然水平的640%以上。这就不得不提到SpaceX，因为2023年全人类向太空发射的全部卫星中，总质量的80%都是这家公司发射的。如果不加以限制，人类发射的卫星，再返回大气层时，可能会对我们的臭氧层产生威胁。
不过，这项研究也只是一项初步的研究。研究整体的模型较为简单，并且很关键的是，它没有计算氧化铝颗粒会如何加速臭氧的分解。固体火箭发射时，同样也会产生氧化铝颗粒，早在2001年，就有科学家研究过这些氧化铝颗粒对臭氧分解加速的效果。当时他们假设固体火箭每年会向平流层中排放1120吨一微米以下的氧化铝颗粒——相当于每年发射9次航天飞机和4泰坦四号。结果发现每年额外增加的1120吨氧化铝颗粒对臭氧分解的影响非常小。那么由此估计，如果卫星再入大气层每年只会造成几十吨的氧化铝颗粒，或许对臭氧的分解作用也可以忽略。
当然，这项研究的估计仍有很大的不确定性，但是当我们开始做出大幅度改变，比如用前所未有的规模向太空发射卫星，组成巨型卫星星座时，它会对我们产生哪些影响？有待研究的内容，还有很多。
