航空航天工程师发现，温室气体排放正在以某种方式改变近地空间环境，随着时间的推移，会减少可以安全运行的卫星数量。
MIT航空航天工程师发现，温室气体排放正在以某种方式改变近地空间的环境，随着时间的推移，会减少能够可持续运行的卫星数量。
在一项即将在《自然可持续性》上发布的研究中，研究人员报告称，二氧化碳和其他温室气体可能导致上层大气收缩。一个特别值得关注的大气层是热层，国际空间站和大多数卫星今天都在其轨道运行。当热层收缩时，密度减少减少了大气阻力——一种将旧卫星和其他碎片拉到低空碰到空气分子并燃烧的力量。
因此，较少的阻力意味着太空垃圾的使用寿命延长，这将在数十年内使受追捧的地区遭到严重污染，并增加轨道碰撞的潜在风险。
该团队进行了关于碳排放如何影响上层大气和轨道动力学的模拟，以估计低地轨道的“卫星承载能力”。这些模拟预测到2100年，最受欢迎地区的承载能力可能会因温室气体的影响而减少50-66%。
“我们在过去100年对温室气体的行为正在影响我们未来100年如何操作卫星，”研究作者、MIT航空航天学院副教授理查德·利纳雷斯说。
“随着气候变化扰乱现状，上层大气处于脆弱状态，”首席作者、航空航天学院研究生威廉·帕克补充道。“与此同时，发射的卫星数量大幅增加，特别是用于从太空提供宽带互联网的卫星。如果我们不小心管理这一活动并努力减少排放，太空可能会变得过于拥挤，导致更多的碰撞和垃圾。”
该研究的共同作者包括伯明汉大学的马修·布朗。
**天空降落**
热层因日常太阳活动周期自然收缩和扩展，每11年一次。当太阳活动低迷时，地球接收到的辐射较少，最外层大气暂时冷却并收缩，之后在太阳最大期再度扩展。
在1990年代，科学家们探讨了热层可能对温室气体作出的反应。他们的初步模型显示，虽然这些气体在下层大气中捕获热量，导致全球变暖和天气变化，但同样的气体在更高的高度辐射热量，从而有效冷却热层。随着这种冷却，研究人员预测热层应该收缩，减少高海拔的气氛密度。
在过去十年中，科学家能够测量卫星上的阻力变化，这提供了一些证据表明热层在响应某种超出太阳自然11年周期的因素而收缩。
“天空实际上正在下降——只是在几十年的时间尺度上，”帕克说。“我们可以通过观察卫星阻力的变化看到这一点。”
MIT团队想知道这种反应将如何影响能够安全运行在地球轨道的卫星数量。如今，有超过10,000颗卫星在低地轨道中漂浮，这个区域距地表高达1200英里（或2000公里）。这些卫星提供重要的服务，包括互联网、通信、导航、天气预测和银行业务。近年来，卫星数量激增，要求操作人员定期进行避免碰撞的操控以保持安全。任何发生的碰撞都可能产生在轨道上存留数十年或数个世纪的碎片，增加与旧卫星和新卫星的后续碰撞的机会。
“过去五年发射的卫星数量超过前60年总和，”帕克说。“我们试图理解的关键问题之一是我们现在所走的道路是否可持续。”
**拥挤的外壳**
在他们的新研究中，研究人员模拟了未来一个世纪内不同温室气体排放情景，以研究其对大气密度和阻力的影响。对于每个“壳”，即感兴趣的高度范围，他们模型了基于壳内物体数量的轨道动态和卫星碰撞风险。他们采用这种方法来识别每个壳的“承载能力”——这个术语通常在生态学研究中用于描述一个生态系统可以支持的个体数量。
“我们将这个承载能力的概念转化为太空可持续性问题，以理解低地轨道能够支持多少颗卫星，”帕克解释道。
该团队比较了几种情景：一种是温室气体浓度保持在2000年的水平，其他则是根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）共享的社会经济路径（SSPs）而变化的情景。他们发现，持续增加排放的情景将导致低地轨道的承载能力显著降低。
特别是，团队估计到本世纪末，安全容纳在200公里到1000公里高度范围内的卫星数量可能会比温室气体排放保持在2000年水平的情景减少50%到66%。如果超过卫星容量，即使在某个地方，研究人员预计该地区将经历“失控的不稳定性”，或一系列碰撞，产生大量碎片，使卫星无法再安全运行。
他们的预测展望到2100年，但团队表示，今天大气中的某些壳层已经被卫星挤满，特别是来自最近“巨型星座”的卫星，如SpaceX的星链，其中包含数千颗小型互联网卫星。
“巨型星座是一种新的趋势，我们显示，由于气候变化，我们在轨道上的承载能力将降低，”利纳雷斯表示。“而在局部区域，我们今天已经接近这个容量值。”
“我们依赖于大气来清除我们的碎片。如果大气发生变化，碎片环境也会变化，”帕克补充道。“我们展示了轨道碎片的长期前景严重依赖于遏制我们的温室气体排放。”
这项研究部分得到了美国国家科学基金会、美国空军和英国自然环境研究委员会的支持。
