2022年01月23日 10:00
【科學快訊】
來源：科研圈
低地球軌道上的航天器數量飛速增長，不僅導致了碰撞風險，還會嚴重干擾天文觀測，甚至汙染大氣，影響全球氣候。
撰文 武大可
2021 年 7 月和 10 月，美國 SpaceX 公司發射的星鏈（Starlink）衛星接近中國空間站，出於安全考慮，中國空間站先後兩次實施了「緊急避碰」。中國在 12 月向聯合國遞交了有關的照會文件，要求美國與 SpaceX 承擔國際責任。此事一經曝光，立刻引發了輿論的聲討——數以千計的星鏈衛星在低地球軌道（高度在 2000 公里以下的軌道，也成近地軌道）胡亂變軌，絲毫不顧「撞車」的隱患，一旦事故發生，SpaceX 難辭其咎。
這其實已不是星鏈衛星第一次引發軌道安全爭議。2019 年 9 月，歐洲航天局（ESA）就報告稱其 Aeolus 氣象衛星執行了規避機動，以避免撞上首批星鏈衛星中的 44 號衛星。美國軍方在碰撞概率超過千分之一後才告知 ESA 這一風險，這比 ESA 設定的避碰風險閾值高出了 10 倍。
可 SpaceX 的 CEO，大名鼎鼎（也有人認為是臭名昭著）的埃隆·馬斯克（Elon Musk）在接受《金融時報》（Financial Times）采訪時卻聲稱，低地球軌道足夠空曠，能夠容納「數以百億計」的航天器，星鏈「不會阻礙任何人在太空做任何事」。
但事實可能並不像馬斯克所言。
衛星「堵車」，事故風險升高
美國麻省理工學院（MIT）的航空航天教授、航天動力學、太空機器人和控制實驗室 （ARCLab） 負責人 Richard Linares 就對低地球軌道能容納多少衛星這一問題很感興趣。他指出，馬斯克「數以百億計」的說法是將衛星占據的物理體積用作了計算依據，混淆了物理容積和軌道容量的概念，這就像把街邊能停下多少輛車的算法應用在了高速公路能讓多少車同時通行的問題上一樣荒謬，是有誤導性的。
就和高速公路上的車與車之間需要保持距離一樣，太空中的衛星也不能太過密集。地球上的安全車距受到很多因素的影響，例如車速、刹車性能、輪胎質量、能見度和駕駛員的素質等等；在太空中，軌道速度是軌道的固有屬性，但對軌道容量施加影響的其他因素也有很多——衛星的軌道並非一成不變，不均勻的引力場、大氣阻力、太陽輻射光壓等因素都會對軌道造成影響。盡管衛星控制策略能夠修正一些偏差，但仍有必要保持距離，以持續確保軌道安全。像星鏈這樣的巨型「衛星星座」（satellite constellation），更是如此。
自 1957 年蘇聯發射第一顆人造衛星 Sputnik 以來，人類每年送入軌道的衛星數量增長一直是緩慢而穩定的，到 2010 年前後，每年的發射數為 60 - 100 顆。但從那時開始，商業化研發運營使得火箭成本迅速大幅降低，與之相伴的是衛星小型化技術的突飛猛進，這使得衛星發射的頻率急劇升高。2020 年當年發射的衛星數量首次突破了 1000 顆大關，讓圍繞地球運行的衛星總數達到了 3372 顆。可以預想，這一數字還會繼續飛速增長，而衛星星座貢獻了其中的主要部分。
衛星星座並非星鏈計劃新創的概念。任何一組作為一個系統協同工作的人造衛星，都稱作衛星星座。1993 年開始運營的全球定位系統（GPS）就是一個衛星星座，在那之後被人們熟知的銥星（Iridium 77）、北鬥導航系統等也都是衛星星座。只不過，這些衛星星座的衛星數都較低，此前規模最大的銥星最終也只發射了 66 顆衛星。
星鏈的衛星數則遠遠超出了這個數量級。目前在軌的星鏈衛星已有 1700 多顆（約占全球衛星總數的一半），已獲得美國聯邦通信委員會（FCC）批准的則有約 12 000 顆，根據 2019 年 SpaceX 向國際電信聯盟（ITU）提交的申請，計劃中的星鏈衛星更是高達約 30 000 顆，總計約 42 000 顆星鏈衛星中，即使最終能夠發射的只有一半，也已經是目前我們頭頂衛星總數的 5 倍之多。根據 2019 年英國南安普頓大學（University of Southampton）研究者的計算，星鏈衛星當時平均每天超過 200 次參與距離小於 1 公里的「衛星會車」，占所有此類事件的 50%。這一比例會在星鏈部署完畢其第一代系統的 12 000 顆衛星後達到 90% ——這意味著與其他來源的低地球軌道碰撞風險相比，星鏈衛星導致的總碰撞風險將升高至少 5 倍。
大型網絡供應衛星星座的建設者也並非星鏈獨一家，總部位於英國的 OneWeb 公司已經發射了其 648 顆衛星計劃中的前 394 顆，加拿大公司 Telesat 和美國亞馬遜公司也分別公布了 292 顆和 3236 顆衛星的計劃。隨著衛星星座數量的增多，軌道殼層（一個衛星系統所有軌道的高度接近，空間上處於一個球殼內）也會變得更加密集，在達到一定密度後，碰撞風險將隨著衛星總數幾何級增長。
可能碰撞的不只是運行中的衛星。退役的航天器和一些碰撞後的殘骸會進一步加大碰撞物的總橫截面，讓碰撞風險進一步升高。這會形成正反饋，令同一軌道高度上的碰撞風險自發地不斷升高。這一效應被稱作凱斯勒綜合征（Kessler Syndrome）。2021 年發表在《科學報告》（Scientific Reports）的一項研究顯示，由於巨型衛星星座（Megaconstellations）在一些殼層聚集，這些特定高度的碰撞風險遠遠高出了正常範圍。
碰撞截面密度隨高度的分布圖。可見巨型衛星星座在約 300 公里、550 公里和約 1150 公里等若幹殼層導致了碰撞概率尖峰（紫色）。來源：Scientific Reports
馬斯克表示，星鏈衛星配備了防撞系統，能夠在碰撞風險升高時自動執行機動，避免碰撞。但基於 ESA 報告的星鏈在碰撞風險高於千分之十後仍未作出反應的事件考慮，星鏈自動避碰機動機制的有效性有待考證。
即使碰撞能被規避，數量龐大的衛星的其他影響也不可忽視。天文學家和環境科學家已經從光汙染和大氣汙染方面提出了反對意見。
「21 世紀天文學的最大阻礙」
首批星鏈衛星剛剛升空，還在從較低軌道向最終軌道轉移的過程中。衛星「列車」在望遠鏡中的亮度蓋過了所有其他觀測對象。來源：SatTrackCam Leiden （b）log
2019 年 5 月，首批 53 顆星鏈衛星發射入軌，立刻引發了天文學界的強烈抗議。國際天文學聯合會（IAU）發表聲明，表示擔心衛星星座導致的低地球軌道的光汙染會對天文觀測產生嚴重干擾。最直觀的干擾是每顆衛星都會反射光。反光對人類來說很微弱，肉眼不可見，但天文學研究所依賴的光學望遠鏡極為靈敏，很快就被星鏈「閃瞎了眼」。馬斯克在 2019 年 5 月底稱，這一影響是暫時的，等星鏈從其 400 多公里的初始臨時軌道轉移到 550 公里的工作軌道，就不會再顯得這麼亮。
但問題並未隨著星鏈進入更高軌道而消失。由於光學望遠鏡常依靠長時間曝光來成像，掠過空中的衛星星座不但會在畫面中留下一道道白線，遮擋大量信息，還會令夜空的平均亮度提升 2 - 3 倍，進一步妨礙觀測。美國天文學會（AAS）發布的一份執行摘要將巨型衛星星座描述為「21 世紀天文學的嚴重問題」（a serious problem to 21st century astronomy），與城市光汙染相當。
星鏈衛星掠過望遠鏡視場時留下的惱人劃痕。來源：Victoria Girgis/Lowell Observatory
最終，SpaceX 不得不作出妥協，將衛星太陽能板調整到不會反射光線至地面的角度。這在一定程度上緩解了可見光汙染問題（盡管漫反射太陽光的部分仍未消除），但在可見光波段以外，星鏈仍在嚴重干擾著天文觀測。
IAU 指出，衛星星座通過無線電（射頻）信號與地球進行通信，產生的大量射頻噪音很難被射頻觀測忽略。例如，目前眾多針對黑洞的前沿研究所使用的事件視界望遠鏡（EHT）就正苦於巨型衛星星座的射電干擾。空間利用不受監管，使得天文學家們無處告狀。盡管他們已大聲疾呼設計者、部署者和政策制定者與天文學家合作來分析並減輕影響，但目前仍沒有任何切實可行的方案被提出。
「死亡衛星」會汙染大氣
還有學者指出，巨量的人造衛星會對地球大氣和全球氣候產生難以估量的影響。上文提到 2021 年發表在《科學報告》的研究還表明，制造衛星的鋁在衛星退役後再入大氣層時會燃燒（或氧化）生成氧化鋁（隕石等平常墜入大氣的流星體主要由氧、鎂和矽組成，極少含鋁）。氧化鋁不但會嚴重消耗臭氧，導致臭氧層吸收紫外線的能力變弱，還會散射太陽光，改變大氣層的反照率，對全球氣候產生影響。
相比等量的普通大氣固體汙染，「死亡衛星」的汙染更為顯著。化石燃料燃燒產生的固體汙染物主要位於大氣底部，一般高度低於 10 公里，在幾周內就能隨重力或大氣中的水沉降。但從太空進入大氣的物質會停留在接近 100 公里高度的大氣層頂部，有可能在那裏永久存在。根據星鏈計劃的衛星壽命（每 5 年發射新衛星替換原衛星）計算，平均每天進入地球大氣的「死亡衛星」將重達 2.2 噸，留在大氣中的氧化鋁會隨著時間推移不斷增加，對臭氧層和反照率的影響也會日漸顯著。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的研究者指出，幾十年後巨型衛星星座燃燒所積累的汙染物帶來的氣候影響，或許會與目前化石燃料燃燒引起的氣候變化相當，這種可能性無法排除。
加拿大不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）的物理和天文學教授 Aaron Boley 說，人類非常擅長低估自身改變環境的能力。我們曾經認為，人類傾倒入海的塑料遠遠無法對海洋環境產生影響，人類排放到大氣的二氧化碳遠遠無法對全球氣候產生影響。但海洋塑料汙染問題來了，全球氣候變化也來了。而如今，我們即將在開發太空時犯下同樣的錯誤。
不論是出於自身和「鄰居」安全考慮，還是為了對全人類負責，星鏈這樣的巨型衛星星座都必須在設計和運營時珍惜有限的公共資源，努力提高軌道效率，並減輕各方面的負面影響。否則，未來的低地球軌道一定不會歡迎它們。
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