马斯克送上天的卫星带来的麻烦越来越多

2021 年 7 月和 10 月,美国 SpaceX 公司发射的星链(Starlink)卫星接近中国空间站,出于安全考虑,中国空间站先后两次实施了“紧急避碰”。中国在 12 月向联合国递交了有关的照会文件,要求美国与 SpaceX 承担国际责任。此事一经曝光,立刻引发了舆论的声讨——数以千计的星链卫星在低地球轨道(高度在 2000 公里以下的轨道,也称近地轨道)胡乱变轨,丝毫不顾“撞车”的隐患,一旦事故发生,SpaceX 难辞其咎。

这其实已不是星链卫星第一次引发轨道安全争议。2019 年 9 月,欧洲航天局(ESA)就报告称其 Aeolus 气象卫星执行了规避机动,以避免撞上首批星链卫星中的 44 号卫星。美国军方在碰撞概率超过千分之一后才告知 ESA 这一风险,这比 ESA 设定的避碰风险阈值高出了 10 倍。

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马斯克似乎并不认同 SpaceX 和星链带来了碰撞风险的说法。图片来源:JD Lasica from Pleasanton, CA, US – Elon Musk, CC BY 2.0

可 SpaceX 的 CEO,大名鼎鼎(也有人认为是臭名昭著)的埃隆·马斯克(Elon Musk)在接受《金融时报》(Financial Times)采访时却声称,低地球轨道足够空旷,能够容纳“数以百亿计”的航天器,星链“不会阻碍任何人在太空做任何事”。

但事实可能并不像马斯克所言。

一、卫星“堵车”,事故风险升高

美国麻省理工学院(MIT)的航空航天教授、航天动力学、太空机器人和控制实验室(ARC Lab)负责人 Richard Linares 就对低地球轨道能容纳多少卫星这一问题很感兴趣。他指出,马斯克“数以百亿计”的说法是将卫星占据的物理体积用作了计算依据,混淆了物理容积和轨道容量的概念,这就像把街边能停下多少辆车的算法应用在了高速公路能让多少车同时通行的问题上一样荒谬,是有误导性的。

就和高速公路上的车与车之间需要保持距离一样,太空中的卫星也不能太过密集。地球上的安全车距受到很多因素的影响,例如车速、刹车性能、轮胎质量、能见度和驾驶员的素质等等;在太空中,轨道速度是轨道的固有属性,但对轨道容量施加影响的其他因素也有很多——卫星的轨道并非一成不变,不均匀的引力场、大气阻力、太阳辐射光压等因素都会对轨道造成影响。尽管卫星控制策略能够修正一些偏差,但仍有必要保持距离,以持续确保轨道安全。像星链这样的巨型“卫星星座”(satellite constellation),更是如此。

最近十年,在轨人造地球卫星的数量飞速增长

自 1957 年苏联发射第一颗人造卫星 Sputnik 以来,人类每年送入轨道的卫星数量增长一直是缓慢而稳定的,到 2010 年前后,每年的发射数为 60颗 ~ 100 颗。但从那时开始,商业化研发运营使得火箭成本迅速大幅降低,与之相伴的是卫星小型化技术的突飞猛进,这使得卫星发射的频率急剧升高。2020 年当年发射的卫星数量首次突破了 1000 颗大关,让围绕地球运行的卫星总数达到了 3372 颗。可以预想,这一数字还会继续飞速增长,而卫星星座贡献了其中的主要部分。

卫星星座并非星链计划新创的概念。任何一组作为一个系统协同工作的人造卫星,都称作卫星星座。1993 年开始运营的全球定位系统(GPS)就是一个卫星星座,在那之后被人们熟知的铱星(Iridium 77)、北斗导航系统等也都是卫星星座。只不过,这些卫星星座的卫星数都较低,此前规模最大的铱星最终也只发射了 66 颗卫星。

星链的卫星数则远远超出了这个数量级。目前在轨的星链卫星已有 1700 多颗(约占全球卫星总数的一半),已获得美国联邦通信委员会(FCC)批准的则有约 12000 颗,根据 2019 年 SpaceX 向国际电信联盟(ITU)提交的申请,计划中的星链卫星更是高达约 30000 颗,总计约 42000 颗星链卫星中,即使最终能够发射的只有一半,也已经是目前我们头顶卫星总数的 5 倍之多。根据 2019 年英国南安普顿大学(University of Southampton)研究者的计算,星链卫星当时平均每天超过 200 次参与距离小于 1 公里的“卫星会车”,占所有此类事件的 50%。这一比例会在星链部署完毕其第一代系统的 12000 颗卫星后达到 90% ——这意味着与其他来源的低地球轨道碰撞风险相比,星链卫星导致的总碰撞风险将升高至少 5 倍。

大型网络供应卫星星座的建设者也并非星链独一家,总部位于英国的 OneWeb 公司已经发射了其 648 颗卫星计划中的前 394 颗,加拿大公司 Telesat 和美国亚马逊公司也分别公布了 292 颗和 3236 颗卫星的计划。随着卫星星座数量的增多,轨道壳层(一个卫星系统所有轨道的高度接近,空间上处于一个球壳内)也会变得更加密集,在达到一定密度后,碰撞风险将随着卫星总数几何级增长

可能碰撞的不只是运行中的卫星。退役的航天器和一些碰撞后的残骸会进一步加大碰撞物的总横截面,让碰撞风险进一步升高。这会形成正反馈,令同一轨道高度上的碰撞风险自发地不断升高。这一效应被称作凯斯勒综合征(Kessler Syndrome)。2021 年发表在《科学报告》(Scientific Reports)的一项研究显示,由于巨型卫星星座(Megaconstellations)在一些壳层聚集,这些特定高度的碰撞风险远远高出了正常范围。

碰撞截面密度随高度的分布图。可见巨型卫星星座在约 300 公里、550 公里和约 1150 公里等若干壳层导致了碰撞概率尖峰(紫色)。

马斯克表示,星链卫星配备了防撞系统,能够在碰撞风险升高时自动执行机动,避免碰撞。但基于 ESA 报告的星链在碰撞风险高于千分之十后仍未作出反应的事件考虑,星链自动避碰机动机制的有效性有待考证。

即使碰撞能被规避,数量庞大的卫星的其他影响也不可忽视。天文学家和环境科学家已经从光污染和大气污染方面提出了反对意见。

二、“21 世纪天文学的最大阻碍”

首批星链卫星刚刚升空,还在从较低轨道向最终轨道转移的过程中。卫星“列车”在望远镜中的亮度盖过了所有其他观测对象。

2019 年 5 月,首批 53 颗星链卫星发射入轨,立刻引发了天文学界的强烈抗议。国际天文学联合会(IAU)发表声明,表示担心卫星星座导致的低地球轨道的光污染会对天文观测产生严重干扰。最直观的干扰是每颗卫星都会反射光。反光对人类来说很微弱,肉眼不可见,但天文学研究所依赖的光学望远镜极为灵敏,很快就被星链“闪瞎了眼”。马斯克在 2019 年 5 月底称,这一影响是暂时的,等星链从其 400 多公里的初始临时轨道转移到 550 公里的工作轨道,就不会再显得这么亮。

马斯克试图甩锅。

但问题并未随着星链进入更高轨道而消失。由于光学望远镜常依靠长时间曝光来成像,掠过空中的卫星星座不但会在画面中留下一道道白线,遮挡大量信息,还会令夜空的平均亮度提升 2 – 3 倍,进一步妨碍观测。美国天文学会(AAS)发布的一份执行摘要将巨型卫星星座描述为“21 世纪天文学的严重问题(a serious problem to 21st century astronomy),与城市光污染相当。

星链卫星掠过望远镜视场时留下的恼人划痕。

最终,SpaceX 不得不作出妥协,将卫星太阳能板调整到不会反射光线至地面的角度。这在一定程度上缓解了可见光污染问题(尽管漫反射太阳光的部分仍未消除),但在可见光波段以外,星链仍在严重干扰着天文观测。

IAU 指出,卫星星座通过无线电(射频)信号与地球进行通信,产生的大量射频噪音很难被射频观测忽略。例如,目前众多针对黑洞的前沿研究所使用的事件视界望远镜(EHT)就正苦于巨型卫星星座的射电干扰。空间利用不受监管,使得天文学家们无处告状。尽管他们已大声疾呼设计者、部署者和政策制定者与天文学家合作来分析并减轻影响,但目前仍没有任何切实可行的方案被提出。

三、“死亡卫星”会污染大气

还有学者指出,巨量的人造卫星会对地球大气和全球气候产生难以估量的影响。上文提到 2021 年发表在《科学报告》的研究还表明,制造卫星的铝在卫星退役后再入大气层时会燃烧(或氧化)生成氧化铝(陨石等平常坠入大气的流星体主要由氧、镁和硅组成,极少含铝)。氧化铝不但会严重消耗臭氧,导致臭氧层吸收紫外线的能力变弱,还会散射太阳光,改变大气层的反照率,对全球气候产生影响。

由于极强的热量和机械负荷,退役的卫星会在坠入大气层时,会在70公里左右的高度解体。图片来源:ESA

相比等量的普通大气固体污染,“死亡卫星”的污染更为显著。化石燃料燃烧产生的固体污染物主要位于大气底部,一般高度低于 10 公里,在几周内就能随重力或大气中的水沉降。但从太空进入大气的物质会停留在接近 100 公里高度的大气层顶部,有可能在那里永久存在。根据星链计划的卫星寿命(每 5 年发射新卫星替换原卫星)计算,平均每天进入地球大气的“死亡卫星”将重达 2.2 吨,留在大气中的氧化铝会随着时间推移不断增加,对臭氧层和反照率的影响也会日渐显著。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究者指出,几十年后巨型卫星星座燃烧所积累的污染物带来的气候影响,或许会与目前化石燃料燃烧引起的气候变化相当,这种可能性无法排除。

加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)的物理和天文学教授 Aaron Boley 说,人类非常擅长低估自身改变环境的能力。我们曾经认为,人类倾倒入海的塑料远远无法对海洋环境产生影响,人类排放到大气的二氧化碳远远无法对全球气候产生影响。但海洋塑料污染问题来了,全球气候变化也来了。而如今,我们即将在开发太空时犯下同样的错误。

不论是出于自身和“邻居”安全考虑,还是为了对全人类负责,星链这样的巨型卫星星座都必须在设计和运营时珍惜有限的公共资源,努力提高轨道效率,并减轻各方面的负面影响。否则,未来的低地球轨道一定不会欢迎它们。

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