太空垃圾危機：溫室氣體如何改變地球軌道的未來

溫室氣體不僅讓地球變暖，它們還在重新塑造太空的樣貌。隨著排放物冷卻並收縮熱層，衛星所受到的阻力減少，導致更多的太空垃圾滯留在地球軌道上。每年有成千上萬的新衛星發射升空，這種擁擠情況可能引發軌道交通堵塞，增加災難性碰撞的風險。專家預測，如果排放量持續失控，到2100年，太空可能變得過於擁擠，未來的太空任務將難以持續。

麻省理工學院（MIT）的航空工程師發現，溫室氣體排放正在改變近地空間的環境，這可能大幅減少能夠在該區域可持續運作的衛星數量。他們的研究發表在《自然永續性》期刊上，揭示了二氧化碳和其他溫室氣體正在導致上層大氣收縮。這一效應在熱層尤為令人擔憂，因為大多數衛星，包括國際太空站，都在此區域執行。

隨著熱層收縮，空氣密度降低，進而減少了大氣阻力。通常，這種阻力有助於清除太空垃圾，將老舊衛星和垃圾拉入較低的高度，使其在重返大氣層時燃燒殆盡。然而，阻力減少意味著太空垃圾會更長時間滯留在軌道上，增加擁擠和碰撞的風險。

為了理解長期影響，MIT團隊模擬了碳排放如何影響上層大氣和軌道動力學。他們的模型預測，到2100年，由於這些大氣變化，低地球軌道的衛星承載能力可能減少50%至66%。研究作者、MIT航空與太空工程系副教授Richard Linares表示：「過去100年來，我們在地球上的溫室氣體排放行為，正在影響未來100年衛星的運作方式。」

研究的主要作者、MIT研究生William Parker補充道：「隨著氣候變化打破現狀，上層大氣正處於脆弱狀態。與此同時，發射的衛星數量急劇增加，尤其是用於從太空提供寬頻網路的衛星。如果我們不謹慎管理這些活動並努力減少排放，太空可能變得過於擁擠，導致更多碰撞和垃圾。」

熱層每11年會因太陽活動週期而自然收縮和擴張。當太陽活動較低時，地球接收到的輻射減少，其最外層大氣會暫時冷卻並收縮，然後在太陽活動高峰期再次擴張。1990年代，科學家開始思考溫室氣體對熱層的影響。初步模型顯示，雖然這些氣體在低層大氣中捕捉熱量，導致全球暖化和天氣變化，但在更高海拔，它們會輻射熱量，有效地冷卻熱層。隨著冷卻，研究人員預測熱層會收縮，減少高海拔的大氣密度。

過去十年，科學家已經能夠測量衛星阻力的變化，這提供了熱層因太陽自然週期以外的因素而收縮的證據。Parker表示：「天空正在逐漸下降，只是這個過程需要數十年的時間。我們可以透過衛星阻力的變化觀察到這一點。」

MIT團隊研究了這種變化將如何影響地球軌道上可安全運作的衛星數量。目前，有超過10,000顆衛星在低地球軌道執行，這些衛星提供網路、通訊、導航、天氣預報和銀行等關鍵服務。近年來，衛星數量急劇增加，迫使運營商定期進行碰撞避免操作。任何碰撞都可能產生垃圾，這些垃圾會在軌道上停留數十年甚至數百年，增加與新舊衛星發生後續碰撞的風險。

Parker指出：「過去五年發射的衛星數量超過了之前60年的總和。我們試圖理解的一個關鍵問題是，我們當前的軌跡是否可持續。」在他們的新研究中，研究人員模擬了未來一個世紀不同溫室氣體排放情景對大氣密度和阻力的影響。對於每個感興趣的高度範圍，他們模擬了軌道動力學和基於該範圍內物體數量的衛星碰撞風險。他們用這種方法來確定每個範圍的承載能力，這通常用於生態研究，描述生態系統可以支援的個體數量。

Parker解釋道：「我們將承載能力的概念應用於這個太空永續性問題，以理解低地球軌道可以容納多少衛星。」團隊比較了幾種情景：一種是溫室氣體濃度保持在2000年的水平，另一種是排放量根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的共享社會經濟路徑（SSPs）變化。他們發現，排放量持續增加的情景將導致低地球軌道的承載能力顯著降低。

特別是，團隊估計到本世紀末，在200至1,000公里高度範圍內，可安全容納的衛星數量可能比2000年排放水平的情景減少50%至66%。如果衛星容量超過限制，即使在區域性區域，研究人員預測該區域將經歷失控的不穩定性，或一連串的碰撞，產生如此多的垃圾，以至於衛星無法再安全運作。

他們的預測展望到2100年，但團隊表示，目前大氣中的某些區域已經因衛星過多而變得擁擠，尤其是來自SpaceX的Starlink等大型衛星群。Linares表示：「大型衛星群是一個新趨勢，我們的研究顯示，由於氣候變化，我們在軌道上的承載能力將會減少。在某些區域性區域，我們已經接近這個容量值。」

Parker補充道：「我們依賴大氣來清理垃圾。如果大氣正在改變，那麼垃圾環境也會隨之改變。我們的研究顯示，軌道垃圾的長期前景關鍵取決於我們能否控制溫室氣體排放。」