社企流／編譯：Phoebe Chao
你對宇宙的想像是什麼？無邊無際的黑暗空間、閃爍星辰，以及一種令人屏息的寧靜？但現實中的地球軌道，卻與這個畫面大相逕庭。目前有超過 1 萬顆衛星正以每小時約 27 萬公里的速度環繞地球，而這些衛星是構成現代生活的技術支柱，支撐著 GPS、氣象預報、即時通訊與衛星電視等服務。但地球軌道正變得越來越擁擠，而這並不僅是因為我們持續發射新衛星。
太空不是無盡空白，而是「垃圾滿天飛」
自 1950 年代末人類開始探索太空以來，有著無數失效衛星、火箭殘骸與其他碎片便遺留在軌道上。如今，這些數千萬個高速移動的碎片正盤旋在地球軌道上，對於現役的衛星或太空船來說，即使是小如螺絲的碎片，也足以造成致命的損害，迫使這些航太相關的操作人員要謹慎且小心地避開這些「太空地雷」，而這個情況並不會好轉，反而會日益嚴重。
根據近期一份刊登在《Nature Sustainability》期刊的研究指出，當人類排放過多且大量溫室氣體時，會導致地球高層的大氣（熱層）變得越來越冷、進而產生收縮，使得大氣層變得稀薄。一旦，大氣層變薄了，這些太空垃圾停留在太空時間更久、更不容易掉下來，如此一來，目前許多運行在低軌道上的衛星，就會增加碰撞機率，更可能因為一次的碰撞產生更多碎片，引發一連串的連鎖反應，讓太空變得越來越危險。
研究中更點出，若碳排放不減，到本世紀末，地球軌道可安全容納的衛星數量將減少至 2500 萬顆，大約目前目前容納量的一半；而在多數衛星使用的軌道範圍內（400 至 1000 公里高度範圍），屆時最多僅能容納約 14 萬 8 千顆低軌衛星。
這數字看起來似乎樂觀，事實上，根據 2022 年美國政府問責辦公室（GAO）的報告估計，到 2030 年全球預計將再發射多達 6 萬顆新衛星，相關報導指出，光是 Elon Musk 的 SpaceX 公司，就計畫發射 4 萬 2 千顆 Starlink 衛星。依照目前的發展速度，地球軌道的安全容納量很快就到達上限，太空將會變得更加擁擠。
「太空環境已經極度擁擠，衛星每天都在進行閃避操作。只要我們持續排放溫室氣體，就會提高太空物體碰撞的機率。」麻省理工學院（MIT）航空航天博士研究員、該研究首席作者 William Parker 表示，光是 SpaceX 的 Starlink 衛星，近 6 個月內就已進行了 5 萬次避障操作。
冷卻收縮的大氣，正在削弱太空清道夫功能
過去，科學界對溫室氣體排放對上層大氣的影響了解極為有限，甚至被戲稱為「無知層」（ignorosphere）。直至近期，衛星資料發現了一個看似矛盾的現象：「原本在地表讓氣溫上升的二氧化碳，在高層大氣中卻造成劇烈降溫，使得這一層大氣如同被冷空氣凍縮的氣球般逐漸萎縮，讓太空邊緣的空氣變得更稀薄。」
而這正是問題所在，大氣密度是目前唯一能自然清除太空垃圾的機制。由於地球大氣層並不是在某個高度突然結束、直接進入太空的真空狀態，而是隨著高度漸漸變薄，直到約 100 公里高的「卡門線」（Kármán line）附近才變得極為稀薄。繞行地球的衛星和碎片會受到這層稀薄空氣的拖曳力（Drag Force），逐漸減速並以螺旋式靠近地球，最終進入大氣層、並在進入時因摩擦產生高溫而燃燒。
根據油美國聯邦政府資助的非營利研發機構中心 Aerospace Corporation 的資料顯示，運行在「極低地球軌道 （Very Low Earth Orbit，VLEO）」約 100 至 450 公里高度範圍的太空碎片，只需要幾個月就會因為大氣阻力而被拖回地球，而大多衛星運行在「低軌道（Low Earth orbit）」則是位於約地球上空 200 至 2 千公里的高度，可能需要數百年甚至數千年才能掉落。若再更高，如受地球大氣影響最外層的「墓地軌道（Graveyard orbit）」（目前有超過 500 顆衛星在此長眠），超過 2500 公里的遠方，更可能漂浮數百萬年之久。
「我們仰賴大氣層清理太空中的廢棄物，但隨著大氣層收縮和降溫，它的清理能力變得更差。」Parker 指出，如果碳排放持續增加，一旦大氣密度下降到臨界點，可安全運行的衛星數量將會減半。幾乎所有衛星都將擠進低地球軌道的底部，並需要頻繁啟動推進器才能避免被拖入大氣層。一旦超過容納量，衛星與太空垃圾或彼此之間發生碰撞的風險將對整個航太產業構成威脅。
如果衛星開始撞衛星，我們可能迎來末日
「任何碰撞產生的碎片都可能摧毀更多的衛星。」哈佛史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）天文學家 Jonathan McDowell 指出，當太空中發生一次碰撞時，產生的碎片會打壞更多衛星，形成骨牌效應，造成「凱斯勒綜合症（Kessler Syndrome）」。當所有衛星互撞、碎裂，產生越來越多碎片。這可能讓地球軌道變得無法使用，而溫室氣體排放可能使這種情況更有可能發生。 McDowell 補充道「但這種連鎖反應不是一夜發生的，而是我們會慢慢被自己製造的垃圾覆蓋而窒息。」
根據歐洲太空總署（ESA）的數據，自人類展開太空探索開始以來，目前至少已發生 650 起衛星碰撞、爆炸或解體事件，導致大量殘骸進入太空。全球太空監控網絡如美國太空軍（U.S. Space Force），正追蹤約 4 萬個較大的碎片，甚至有些碎片大小相當一輛汽車。此外，更有超過 1.3 億個小於 10 公分的碎片繞行地球，但太過微小無法有效監測，卻在高速移動下足以對衛星和太空船造成嚴重損害。
清理太空垃圾，成為科學新挑戰
近來，科學家積極研究這些清除太空垃圾的方法，McDowell 形容為「將垃圾車送上太空」。例如，2022年，中國一顆衛星透過「匹配速度」（註一）的方式，成功捕捉一枚報廢衛星，並拖入墓地軌道；2023 年美國 NASA 與太空技術新創公司 TransAstra 合作，透過搭載巨型充氣袋的太空船送上太空並搜集垃圾後，前往由另一間新創公司 ThinkOrbital 的無人太空站來維修甚至重新利用；2024年，日本新創公司 Astroscale 也成功讓回收裝置靠近報廢火箭約 15 公尺，以磁力捕獲它。
McDowell 認為，「這些太空垃圾，是一個留給未來世代的環境問題，『我們會不會達到太空垃圾乘載的極限？』我們最終將會以最艱難的方式得知答案。」
註一
在太空垃圾清除任務中，讓一個物體的速度和另一個目標物體完全一致，包括其運動方向與速率，讓清除裝置與需清除的太空垃圾位於同一軌道、同一速度，以靠近、接軌、同步的方式清除垃圾。
參考資料
- Space debris by the numbers（European Space Agency）
- Space Debris 101 （Aerospace Corporation）
- 太空垃圾泛濫成災 盤點幾種潛在清理方案（BBC 中文網）
- 垃圾袋加資源回收站，NASA 清除太空垃圾有譜（經濟部航太產業推動小組）
核稿編輯：葉于甄
想讓社區變好、讓台灣更好嗎？參加社區一家提案，讓不分年齡、不限主題、不限國籍的你，實現夢想 >> 立即提案
