氣候變遷如何影響衛星軌道安全？

在氣候變遷的眾多影響中，有一個鮮為人知的問題：它對太空的影響。雖然我們通常認為太空是遠離地球大氣層的區域，但實際上，大氣層並沒有一個明確的終點。隨著高度的增加，大氣層逐漸變薄，甚至在卡門線（通常被視為太空的起點）之上，仍然存在微量的氣體。

溫室氣體濃度的增加導致上層大氣收縮，這意味著在數百公里的高空，氣體粒子變得更加稀薄。這聽起來對太空飛行公司來說是個好訊息，因為太陽風暴導致大氣膨脹、衛星意外墜落的情況將不再發生。然而，對於大多數衛星執行的軌道高度來說，少量的氣體粒子其實是有益的，因為它們有助於清除太空垃圾。

無論多麼稀薄，大氣粒子都會對軌道上的物體產生阻力，導致其軌道衰減，並使其與下方稍厚的大氣層接觸，進一步加速墜落。對於有價值的衛星來說，這雖然令人困擾，但可以透過偶爾將其推入更高軌道來解決，就像國際太空站（ISS）所做的那樣。然而，對於已經過期或從衛星上脫落的物品來說，同樣的效應會讓它們最終墜落。雖然大型物體可能會危險地著陸，但大多數會在進入大氣層時無害地燃燒，從而消除對執行中的衛星和人類的威脅。

大氣層的收縮意味著太空垃圾會停留更長時間，從而減少能夠安全執行的衛星數量，並增加引發連鎖碰撞反應（即凱斯勒綜合症）的風險。

「過去五年發射的衛星數量超過了之前60年的總和，」該研究的主要作者、麻省理工學院研究生威廉·帕克（William Parker）在一份宣告中表示。「我們試圖理解的一個關鍵問題是，我們目前的路徑是否可持續。」

「天空正在逐漸『墜落』，只不過是以數十年的時間尺度，」帕克補充道。「我們可以透過衛星所受阻力的變化來觀察到這一點。」

雖然這對太空探索者來說顯然是個負面影響，但人們可能會認為這種效應微乎其微。畢竟，一些微量氣體真的能大幅改變大氣密度嗎？然而，當帕克及其合著者進行計算時，他們發現了截然不同的結果。

「我們過去100年在地球上排放溫室氣體的行為，將影響未來100年衛星的運作，」合著者、麻省理工學院的理查德·利納雷斯博士（Dr. Richard Linares）表示。

帕克、利納雷斯以及英國伯明翰大學的合著者馬修·布朗博士（Dr. Matthew Brown）模擬了在政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的溫室氣體排放情景下，地球周圍每個軌道層的「承載能力」。他們估計，在高排放情景下，到2100年，最受歡迎的軌道（高度在200至1,000公里之間）所能容納的衛星數量將減少50%至66%。

「在某些區域，我們已經接近這一承載能力的極限，」利納雷斯指出，特別是900公里和1,400公里的軌道層，目前已經過於擁擠。

「隨著氣候變遷打破現狀，上層大氣處於一種脆弱的狀態，」帕克表示。「與此同時，發射的衛星數量大幅增加，尤其是用於提供太空寬頻網際網路的衛星。如果我們不謹慎管理這項活動並努力減少排放，太空可能會變得過於擁擠，導致更多碰撞和碎片。」

乍看之下，全球暖化可能會讓人預期大氣層會膨脹而非收縮，因為大多數物質在受熱時會膨脹。然而，重要的是要記住，溫室效應並不會產生更多的熱量，而是將熱量困在我們所處的對流層和海洋中。與此同時，平流層及其上層的溫度下降，導致它們收縮。

發射衛星的國家和公司至少有三種方法來應對這一問題：認真應對溫室氣體排放或清除太空垃圾、將衛星推入更高且更昂貴的軌道，或者乾脆忽視整個問題，直到災難發生、數千顆衛星受損或被摧毀。

我們將由你來決定哪種方法最有可能被採用，但值得注意的是，第二種方法並不像看起來那樣容易妥協。由於更高的軌道遠離大氣阻力，放置在那裡的衛星將無限期地執行，除非被故意帶回。同樣，任何脫落的碎片也會如此，尤其是在像太空旅館這樣的地方，人為因素可能導致許多事故。因此，這些區域將比目前使用的軌道更快地被填滿，迫使後續衛星被推向更高的軌道。

「我們依賴大氣層來清理我們的碎片。如果大氣層發生變化，那麼碎片環境也會隨之改變，」帕克說。「我們的研究表明，軌道碎片的長期前景嚴重依賴於控制溫室氣體排放。」

這篇論文發表在《自然永續性》（Nature Sustainability）期刊上。