被忽视的航天污染

张刚毅

　　中国航天在2023年实施了67次发射任务，位列世界第二，研制发射了221个航天器，刷新了中国最高纪录。

2024年中国航天将继续保持世界航天老二的地位，将执行近70次宇航发射任务，发射290余个航天器。

世界航天业呈现爆发式增长，那么航天工程对地球大气又有什么影响？这个问题提上日程上来了。

两位美国作者试图了解这个问题，我们避开他们对美国的吹捧，耐心地看看他们是怎样看待航天工程对地球大气层影响的，对我们发展航天事业也许有些益处。

2015年俄罗斯联盟-FG运载火箭发射时氧化的烟尘使使羽流发出耀眼的光。

 被忽视的航天污染

(转自《环球科学》2021年3月号)

作者 马丁 . 罗斯

伦纳德 . 戴维

目前美国的航天工业正在以难得一见的速度创新和发展，上一次出现这样的场景还是在上世纪美国实施登月计划的时候。50年前，几乎所有与太空有关的项目都是在政府资助下进行的。而在今天的美国，大多数太空火箭和卫星发射都已经是由企业或政府-企业合作完成的。

这样的变化使得航天工业的运作方式与航空业越来越相似，比如航天器和运载火箭的大规模生产，设备的可重复使用以及定期飞行。分析预测，到2040年，航天工业对全球GDP的贡献将超过1%。我们有理由认为，有朝一日航天工业将产生与航空业相媲美的经济影响力。

自第二次世界大战以来，出于对可持续发展的考虑,航空业在飞机结构和推进器方面取得了一系列重要的进步，特别是解决了喷气式发动机产生的排放问题。与50年前的发动机相比，现代喷气式发动机排放的烟尘和气体污染物要少得多。对航空业而言，减少飞机排放既是一种压力，也是一件好事，因为它使工程师将涡轮热机打磨到接近理论最高效率的程度，也减少了燃油消耗。这既有利于航空公司，也有益于保护地球。

2024年3月27日我国在太原卫星发射中心使用长征六号改运载火箭成功将云海三号02星发射升空。

　　

被忽略的废气

而在航天领域，可持续发展的问题并没有引起太多人的注意。不过，和它的表亲（喷气式发动机）一样，火箭发动机也会将各种气体和微粒排放到大气中，由此造成区域性甚至是全球性的影响。即便如此，如果用过于简单的方式比较喷气式飞机和火箭的燃料消耗，也会让人们忽略运载火箭对环境的影响。

此前业内流传着这样一种说法：太空火箭每年消耗的燃料只有飞机的0.1%，因此排放量也只有航空业的0.1%。但对太空火箭飞行各个阶段的细致研究表明，太空火箭排放对大气的影响与飞机排放完全不同，甚至在某些情况下会导致更加糟糕的后果。

与飞机不同，航天工业产生的排放物会影响每一层大气。喷气式飞机在对流层的排放物能很快被降水冲刷到地面，而火箭在平流层的排放物只能被缓慢地清除（注：民航飞机一般在平流层飞行，但它使用的是涡轮风扇发动机）。在过去的4~5年里，地球上所有火箭发射和再入大气层产生的废气导致平流层中的排放物正在逐年累积，而脆弱的臭氧层正位于平流层。

要知道，航天旅行的前景从未像今天这般令人激动。航天工业的进步，包括高性能小型卫星、低地轨道（LEO)巨型卫星星座、新型火箭推进剂等方面，正在推动21世纪“新太空”的发展。这些进步或许可以让我们实现长期以来的梦想，即让太空旅行变得像乘坐飞机旅行一样容易。

但问题是，这些新技术是否能够支撑航天工业的可持续性发展？

与喷气式发动机产生的废气一样，火箭发动机废气的成分主要是二氧化碳和水蒸气，而它们对全球气候的影响是已知的。在任何高度排放的二氧化碳都是“长寿命的”温室气体，会增加大气中的温室气体含量。水蒸气则是“短寿命的”温室气体。火箭废气中的这些成分仅是航空业二氧化碳和水排放量的1%。尽管它们目前的影响还很小，但火箭排放中其他一些少量物质则需要更进一步的研究。

值得注意的是，固体火箭发动机氧化剂（高氯酸铵）中的氯可能也会影响平流层中的臭氧。20年前，美国航空航天局（NASA）的飞机对火箭羽流做过直接采样，结果表明：固体火箭羽流会产生臭氧“小孔”，并在发射后持续数天。不过，随着充满氯气的羽流混入整个平流层,这些小孔就会消失。与臭名昭著的氯氟烃所释放的氯气相比，固体火箭每年排放的氯气很少并且寿命很短。目前看来，固体火箭发动机排放的氯很可能不会对臭氧层构成严重威胁。

科学家已经弄清楚了火箭发射产生的二氧化碳、水和氯气对气候和臭氧的影响。所有相关研究都表明，与其他污染物相比，这些物质的影响微不足道，几乎被淹没在全球大气变化的背景噪声中。即使这些物质的排放量再增加一个数量级，它们产生的影响仍然很小。但是，火箭废气中的其他成分——黑碳烟灰和氧化铝颗粒，可能会对大气产生重大影响。

2020年7月23日我国在文昌文昌航天发射城用长征五号遥四运载火箭成功将火星探测任务一号探测器发射到预订轨道。

　　颗粒物排放

火箭发射会产生壮观的排气羽。碳氢燃料火箭发动机的“火焰”主要是颗粒物在热羽流中氧化时发出的耀眼光芒。火箭发动机中烟尘的产生过程十分复杂，科学家还没有完全了解。烟尘在富燃料的燃烧室、燃料冷却喷嘴壁和涡轮燃气发生器中都会形成，其中一部分在热羽流中被消耗。与火箭发动机相比，喷气式发动机没有这么复杂，并且燃烧得非常干净。一些以碳氢化合物为燃料的火箭发动机每燃烧一千克燃料，产生的烟灰要比喷气式发动机多出数百倍。并且，喷气式飞机只是偶尔在平流层飞行，但每次火箭发射都要穿过平流层。

我们为什么担心平流层的烟尘呢？因为这些黑色的物质吸收阳光的效率非常高。黑碳烟灰吸收的能量会转移到周围的空气中，这相当于一个热源，会使平流层变暖，进而悄然改变全球大气循环。而且，由于平流层中的臭氧浓度与温度成反比，平流层变暖还会消耗臭氧层。那么，目前火箭发射产生的黑炭烟灰是否会对大气产生重大影响？我们还不清楚，因为科学家才刚刚拥有研究这一问题的气候模型。

与以碳氢化合物为燃料的发动机产生的羽流相比，固体火箭发动机产生的羽流甚至更明亮。固体火箭火焰的来源是从喷嘴喷出的白热氧化铝滴。与氯气排放一样，固体火箭羽流也会扩散并最终混入全球大气中。正是因为这个原因，科学家从赤道到极点的随机平流层空气采样中都发现了火箭喷出的氧化铝颗粒。20世纪90年代，研究人员发现了氧化铝颗粒表面是如何破坏臭氧的，但是我们目前并不清楚氧化铝对臭氧的具体消耗量有多少。此外，固体火箭发动机也会排放破坏臭氧的氯气。可以说,固体火箭发动机在这两方面对臭氧产生了影响，而科学家对此的认识非常有限。2018 年世界气象组织(World Meteorological Organization）对臭氧的评估承认了我们在这一问题上的理解仍有大量不足，并指出“必须推动进一步的研究”。

美国航天飞机使用了有史以来发射的最大型固体火箭。人们经常错误地认为，航天飞机退役后就不再使用大型固体火箭了，但实际上，在全球范围内，固体火箭发射越来越多。NASA的新一代太空发射系统（The Space Launch System，SLS）将在2021年11月首次发射升空，它使用的就是直径达3.66米的固体火箭，这也将成为有史以来升空的最大型固体火箭。还有一款火箭将比SLS还要大，那是中国计划在2025年发射直径达3.96米固体火箭。总之，我们还缺乏相关研究，对固体火箭对平流层和臭氧层的危害认识不足。

　　“再入大气层”后遗症

火箭离开大气层后，污染并没有停止。被遗弃的航天器的某些部分将在再入大气层时幸存下来，并落到地面.大多数再入大气层的物质都会蒸发成高温气体，并迅速冷凝成小颗粒喷雾。因此，与发射一样，此时形成的明亮羽流也意味着随之产生的颗粒。相比于发射时产生的化学成分简单的粒子，再入大气层的垃圾产生的各种粒子成分更加复杂。推进剂箱、计算机、太阳能电池板和其他特殊材料将在85千米左右的高空中产生各种颗粒，然后向下飘落，并与发射时产生的烟灰、氧化铝一起在平流层中积累。可见，再入大气层与发射是一样的，都会产生排放。

未来，占据低地球轨道的巨型卫星星座越来越多，而每个卫星星座中都有成千上万颗卫星。这些卫星一般通过“大气再入汽化”实现报废。一旦这些卫星星座部署就位,每年将有数百吨失效的卫星需要报废。这些卫星的大部分物质都会在重新进大气层的燃烧过程中被消灭殆尽，但它们也会在大气层中产生大量颗粒。卫星再入大气层时如何产生颗粒？颗粒物的微观物理是怎样的？“再入尘”对地球气候和臭氧产生了哪些影响？对于这些问题，科学家的了解都不深入。现在，航天工业的发展让人联想到航空业的早期阶段。一旦某项技术在市场上变得成熟，就没有什么能限制它在应用领域的扩张。像航空业一样，航天工业的推进系统也在向大气中排放气体和颗粒。但是，这两个行业对地球大气的影响截然不同。

在可预见的未来，喷气式发动机排放的二氧化碳排将远远大于火箭发动机。人们用传统方式对航天工业进行的“碳足迹”计算说明了这一点。虽然这是出于好意，但可能仍然具有误导性，因为二氧化碳不是太空污染的主要推手。与二氧化碳排放相比，火箭发射和空间碎片再入大气层产生的粒子对大气化学、动力学和辐射的影响要大得多。对航天工业而言，碳足迹是一个复杂的问题，还需要更深入的研究。

最近有关低地球轨道卫星亮度的争论表明，可持续性应该成为空间系统发展的重要基础。提前评估空间系统生命周期的每个阶段对环境的影响，将更容易保证空间系统的无障碍使用。这也是航空业对可持续发展的思考。部署后出现的环境问题会引发监管；而在部署之前进行全面而完整的分析能避免触发监管问题。

讽刺的是，太空为人类反思自己管理地球的方式提供了新视角——人们通常认为，全球环保主义的兴起与阿波罗8号上拍摄的“地球升起”有关。但是，科学家对太空工业自身的排放知之甚少，因此还无法回答与太空工业的环境影响和可持续性发展的一些基本问题。参考航空工业，我们需要建立一个科学项目，包括对发射和大气层再入产生的羽流的测量，对羽流从刚产生到与全球大气稳定混合过程的模型模拟，以及对从发射到大气层再入产生的各种粒子的微观物理性质进行实验室测量。这项工作需要政府和企业合作开展。

在可持续性发展成为全世界的共同目标之际，航天工业有望成为全球经济的重要组成部分。可持续性的太空产业将是什么样子？空间发展未来的监管风险在哪里？只有对航天工业排放进行持续的、全球协调的科学研究，我们才能找到这些问题的答案。■