期刊導航
像Starlink這樣的衛星可能會對我們的修復臭氧層構成新的威脅
Starlink等通信公司計劃在未來十年左右的時間里將數萬顆衛星發射到地球軌道上。不斷增長的蜂群已經給天文學家帶來了問題，但最近的研究提出了另一個問題：當它們開始下降時會發生什么？
當這些衛星達到其使用壽命時，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。
根據上周發表的一項研究由一組美國研究人員稱，這種衛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 - 地球保護的家園臭氧層。
那是什么意思？根據這項研究，衛星的尾部可以促進破壞臭氧層的化學反應。這沒有錯，但正如我們將看到的，故事遠非如此簡單。
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。當自由基產生時，它們會開始破壞許多臭氧分子的循環。（這些循環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。
這些自由基是在穩定的氣體被紫外線分解時產生的，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生的溫室氣體，但人類化肥制造和農業增加了空氣中的含量。
HOx循環涉及來自水蒸氣的氫自由基。沒有多少水蒸氣進入平流層，盡管像洪加湯加-洪加哈派2022 年的水下火山噴發有時會注入大量。
平流層中的水會產生許多小氣溶膠顆粒，這些顆粒為化學反應創造了很大的表面積，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 是導致臭氧層： ”臭氧空洞“由氯氟烴（CFCs）和哈龍引起。這些現在被禁止的化學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。
氣溶膠通過為化學反應提供表面來加速化學反應。結果，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
墜落衛星具體注入氧化鋁的細節將相當復雜。這不是第一項強調重新進入太空垃圾造成的平流層污染日益嚴重的研究。
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。他們發現，10%的平流層氣溶膠已經含有鋁，并預測在未來10-30年內，這一比例將增加到50%。（大約50%的平流層氣溶膠顆粒已經含有隕石中的金屬。
我們不知道這會產生什么影響。一種可能的結果是，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，可以發生化學反應。
我們也不知道鋁顆粒將如何與平流層中發現的硫酸、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。
向火山學習
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，更詳細地模擬化學，并研究顆粒如何在大氣中移動。
例如，在Hunga Tonga-Hunga Ha'apai噴發后，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也創造了美麗的日落。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表現如何。它會產生冰核嗎？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，從而促進臭氧的破壞？
當然，鋁氣溶膠不會永遠留在平流層中。當它們最終落到地上時，這種金屬污染會在我們的極地地區造成什么影響？
所有這些問題都需要解決。由一些估計，從現在到2030年可能會發射超過50,000顆衛星，因此我們最好盡快解決這些問題。
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