火箭燃料可能正在污染地球上层大气

在加利福尼亚州圣巴巴拉西北 54 英里处一个雾蒙蒙的仲夏早晨，SpaceX 工程师们匆匆忙忙地完成着他们以前经历过的一项例行工作。他们给猎鹰 9 号火箭装上了数万加仑的煤油和超冷液氧，这种推进剂组合让火箭的九台梅林发动机轰鸣着启动，产生了 170 万磅的推力。不久之后，火箭冲过平流层，准备将公司的 46 颗 Starlink 互联网卫星送入近地轨道。但火箭还送出了另一件东西：发射数小时后，一串烟尘在太平洋上空盘旋。

此次发射是该公司 2022 年的第 32 次发射，保持了目前每周发射近一枚火箭的速度。随着载人设备、宇航员和超级富豪游客往返地球的载人航天飞机数量创下纪录，高空从未如此繁忙。从中国长征等政府项目到 SpaceX 的龙飞船等私人项目，全球在 2021 年共成功发射了约 130 次火箭，预计到 2022 年底将有更多火箭成功发射。然而，许多飞行都会将微小的物质喷入平流层，而平流层目前还没有受到太多污染。

气候科学家仍在努力全面了解火箭残留物如何影响地球的紫外线防护。但即使他们发现了警示信号，一些组织或权威人士也必须加紧为该行业制定排放标准。与此同时，一些航空航天公司正在探索可持续的替代品，如生物燃料，为其远程飞行系统提供动力。

火箭发射频率的不断增加，让加州非营利研究中心航空航天公司的大气物理学家兼项目工程师马丁·N·罗斯等研究人员对平流层和世界的未来感到担忧。未来几十年的火箭运输量预测显示，火箭运输量将急剧上升，就像发射台上的猎鹰 9 号火箭一样。如果太阳像一些计算机模型所预测的那样，加热燃料尾迹中足够多的粒子，太空旅行可能会成为气候变化的重要驱动因素。“这不是一个理论上的担忧，”罗斯说。

除非您是在国际空间站上阅读本文，否则您呼吸的空气来自对流层——地球大气层的最底层，向上延伸数英里。对流层上方的一层是平流层，位于海平面以上 6 至 31 英里处，相比之下，平流层极其沉闷：那里几乎没有云，所以不会下雨。空气稀薄而寒冷，含有臭氧，这是一种以氧气为基础的气体，可以保护所有生命免受太阳辐射的伤害，但对肺部有毒。

大多数温室气体，包括航空业每年产生的 9 亿吨二氧化碳，都会将热量困在对流层中。但火箭在高空释放这些气体，使其成为平流层上部的唯一直接排放源。

天空中的酸

1931 年之前，平流层一直无人居住。当时，瑞士物理学家奥古斯特·皮卡尔和他的助手驾驶一个 50 万立方英尺的氢气球，漂浮到近 10 英里外的上空，然后又降落到平流层。他们是众多氢气球中的第一批。到 20 世纪 60 年代，美国和苏联的太空计划开始定期向天空边缘发射火箭。

冷战期间，随着宇航员和航天员计划的发展，气候变化研究也随之发展，尤其是二氧化碳污染和大气退化研究。20 世纪 70 年代，NASA 的航天飞机计划引起了大气化学家 Ralph Cicerone 和 Richard Stolarski 的兴趣，他们随后尝试对平流层火箭尾气进行一些初步研究。航天飞机的固体发动机使用了一种名为高氯酸铵的结晶化合物，它会释放出副产品盐酸。氯对臭氧具有极大的破坏性——美国环境保护署估计，一个单独的原子可以分解数万个大气气体分子。

在 1973 年 6 月提交给 NASA 的一份报告中，西塞罗内、斯托拉斯基和他们的同事计算出，每年 100 次航天飞机发射将产生“相当少量”的含氯化合物。但他们警告说，这些化学物质可能会随着时间的推移而积累。西塞罗内和斯托拉斯基最终将注意力集中在火山喷发上，因为这些喷发代表着更大规模、更剧烈的氯气释放。

20 世纪 80 年代，英国气象学家发现南极平流层的臭氧层正在变薄。他们认为罪魁祸首是喷雾罐中的氯和其他人造来源的氯氟烃等会破坏臭氧层的化学物质。直到 1987 年《蒙特利尔议定书》签署后，臭氧层才开始愈合。《蒙特利尔议定书》是联合国所有成员国批准的第一份国际协议。该协议逐步淘汰了氟利昂的使用，使大气走上了长达数十年的恢复之路。

在该条约签署后，“任何排放氯的行为都受到怀疑，”罗斯说。但火箭排放是否也会改变臭氧层仍不清楚。

在接下来的二十年里，美国空军招募了航空航天公司和大气科学家，比如现任科罗拉多大学博尔德分校教授的达林·图希，来研究火箭尾气的化学成分。研究小组利用美国宇航局的 WB-57 飞机（一种能够飞行 11 英里高并经过改装以进行科学观测的喷气式轰炸机），在 21 世纪初直接对包括泰坦、雅典娜和德尔塔在内的美国运载火箭的排放物进行了采样。

刚从羽流中收集到的物质让研究人员更清楚地了解了固体推进剂与空气相互作用的方式。例如，他们检查了航天飞机助推器燃烧铝粉作为燃料时排出的颗粒，以及这些颗粒如何与臭氧发生反应。罗斯说，影响并不像他们担心的那么严重。虽然羽流在发射后的第一个小时内耗尽了附近的臭氧层，但在排放物扩散后，臭氧层很快恢复了。

与此同时，在 21 世纪初，美国和俄罗斯的火箭发射次数正在减少。2003 年哥伦比亚号航天飞机在重返大气层时解体，导致 7 名机组人员丧生，NASA 暂停了该计划的其他飞行两年。使用 WB-57 飞机观察废气的任务于 2005 年结束。六年后，NASA 正式退役航天飞机系统。

新的火箭，更多的烟尘

2008 年，SpaceX 将其第一枚液体燃料火箭送入轨道，为更多私人开发的太空飞行奠定了基础。但它注入其招牌机器的化学物质并不是什么新鲜事物。煤油的精炼版，火箭推进剂-1 或 RP-1，为几代火箭提供动力，包括将阿波罗宇航员送上月球的宇宙飞船的第一级发动机。它众所周知，而且相对便宜。

罗斯、图希和他们的同事迈克尔·米尔斯察觉到了航空航天业的趋势，计算了一组类似的以碳氢化合物为动力的火箭在地球表面和 90 英里高空之间会产生的排放。他们的预测于 2010 年发表在《地球物理研究快报》上，结果出乎意料：排放特征中充满了黑碳，与地面上调校不佳的柴油发动机喷出的污染物相同。图希说：“它似乎对高层大气产生了不成比例的影响。”

伦敦大学学院大气化学家 Eloise Marais 补充道，这些暗粒子“非常非常善于吸收太阳辐射”。想象一下，在炎热的夏天，你穿黑色衬衫比穿白色衬衫更容易热起来，你就会明白。

在地面附近，雨水或其他降水会将空气中的暗碳冲走。但在平流层，在雨云上方，烟尘会粘在周围。“一旦我们开始将物质放入大气层，它们的影响就会大得多，因为那里比下面干净得多，”马雷斯说。换句话说，平流层的原始状态使其更容易受到太阳灼热射线的伤害。

黑碳颗粒可以在平流层中停留约两年，然后重力将它们拖回地面。它们在等待的过程中也会升温：在今年 6 月发表在《地球的未来》杂志上的一项研究中，马雷斯和她的同事计算出，火箭产生的烟尘使空气变暖的效率比飞机或地面排放源产生的烟尘高出约 500 倍。

罗斯和美国国家海洋和大气管理局化学科学实验室的研究员克里斯托弗·马洛尼最近运行的另一个模型也得出了类似的结论，即暗物质对气候变化的影响。他们预测，如果未来二十年内太空交通量增加十倍，平流层温度将上升约 3 华氏度。

马洛尼说，这种上升足以使“平流层动态开始发生变化”。洋流将自然产生的臭氧从较热的热带地区带到较冷的两极。如果火箭烧焦了北半球（大多数发射都发生在这里）上方的空气池，那么从暖到冷的路径可能会受到干扰——从而扰乱将新鲜臭氧运送到北方的环流。结果是：高纬度地区的臭氧层变薄，而平流层整体温度更高。

对过去的发射进行评估有助于澄清这一过程中的一些灰色地带。今年 7 月，塞浦路斯尼科西亚大学的两名研究人员在《流体物理学》杂志上发表的一篇论文中模拟了 2016 年 SpaceX Falcon 9 火箭的羽流。根据他们的模型，在飞行的前 2.75 分钟内，该火箭产生了 116 吨二氧化碳，相当于约 70 辆汽车一年的排放量。

Toohey 认为这些预测证实了他十多年前提出的黑碳担忧，但他认为这些预测并不像直接观察那样令人信服。他说，“除了额外的模型研究告诉我们最初的假设是正确的之外，基本上没有取得任何进展”。他补充说，需要的是像早期 WB-57 任务那样进行探测。例如，安装在宇宙飞船侧面的光谱仪可以测量黑碳。

政策是另一个限制因素。国际航空运输协会是一个有影响力的贸易组织，它为航空公司设定了 2050 年的碳中和目标，但太空领域却没有类似的目标——部分原因是该行业没有同等的领导者或像联邦航空管理局这样的监管机构。“我们没有统一的方法来衡量火箭发动机对环境的影响，”罗斯说。

虽然现在有更新的燃料，但还没有很好的方法来确定它们有多环保。即使是燃烧最清洁的氢，也需要额外的能量才能从甲烷或水提炼成纯分子形式。“情况非常复杂，因为所有推进剂都会对环境产生影响，”普渡大学研究航空航天推进的斯蒂芬·海斯特说。

大气科学家表示，保护平流层的解决方案必须通过合作来制定，就像《蒙特利尔议定书》的统一战线一样。“解决这个问题的方法是让有共同利益的人团结起来，”图希说，在造成持久损害之前找到一条可持续的太空之路。

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这个故事最初发表在《大众科学》高刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。