太空时代的标志人类通往恒星之路留下的航天器金属

太空时代正在地球上最偏远的地方之一——平流层留下痕迹，这对气候、臭氧层和地球的持续可居住性具有潜在影响。研究人员使用挂在研究飞机鼻锥上的工具，在距地球表面超过11英里的地方进行采样，发现大气中的气溶胶中含有大量金属，这可能是由于航天器和卫星日益频繁的发射和返回造成的。大量金属正在改变大气化学，可能影响地球大气层和臭氧层。

“我们在我们认为的大气原始区域中发现了这种人造物质，”在《美国国家科学院院刊》上发表了关于这些结果的研究的科学家团队之一的丹·奇佐(DanCziczo)说。“如果平流层——大气层的稳定区域——发生了变化，那就值得仔细观察。”

齐克佐是普渡大学理学院地球、大气和行星科学系的教授兼系主任，他是一位大气科学专家，花了数十年的时间研究这个稀薄的区域。

在地球、大气和行星科学系兼职教授、国家海洋和大气管理局研究员丹·墨菲(DanMurphy)的带领下，该团队检测到了20多种元素，其比例与航天器合金中使用的比例一致。

他们发现，航天器再入过程中产生的锂、铝、铜和铅的质量远远超过了天然宇宙尘埃中发现的金属。近10%的大硫酸颗粒(有助于保护和缓冲臭氧层的颗粒)含有铝和其他航天器金属。

科学家估计，到2030年，可能会有多达50,000颗卫星进入轨道。研究小组计算出，这意味着，在未来几十年内，平流层硫酸颗粒中多达一半将含有再入时产生的金属。这会对大气、臭氧层和地球上的生命产生什么影响尚不清楚。

科学家们长期以来一直怀疑航天器和卫星正在改变高层大气，但研究平流层是一项挑战，因为我们并不居住在那里，甚至最高的航班也只是短暂进入平流层。

作为NASA机载科学计划的一部分，墨菲和他的团队驾驶一架WB-57飞机对阿拉斯加距地面11.8英里(19公里)的大气进行采样，那里往往会形成环极云。Cziczo和他的团队在美国大陆上空的一架ER-2飞机上进行了类似的测量。两组人员都使用挂在鼻锥上的仪器来确保只采集最新鲜、最不受干扰的空气。

庇护的天空

就像平静的海面一样，平流层看起来也平静无波——至少在人眼看来是这样。生命和文明主要发生在地球表面和对流层，即大气层的最低层。平流层是大气中令人惊讶的稳定且看似平静的层。

平流层也是臭氧层的领域：臭氧层是一种气体奇迹，它充当全球帐篷，保护地球及其上的所有生命免受紫外线辐射的灼热、灼伤。如果没有臭氧层，地球上可能永远不会出现生命。没有它，生活就不可能继续下去。

过去几十年对于平流层来说是多事之秋。臭氧层在20世纪80年代受到氯氟烃的威胁，只有各国政府和企业协调一致、持续的全球努力才在修复和补充臭氧层方面开始取得成果。

“流星划过大气层，”齐佐说。

“通常，流星在大气层中燃烧，甚至没有成为陨石并到达行星。因此，它所构成的材料以离子的形式留在大气中。它们形成非常热的气体，然后开始冷却并凝结为分子并落入平流层。”

“分子找到彼此并结合在一起，形成我们所说的陨石烟雾。科学家最近开始注意到这些陨石颗粒的化学指纹开始发生变化，这让我们不禁要问，‘嗯，发生了什么变化?’”因为陨石的成分没有改变，但航天器的数量却改变了。”

什么上涨

航天器的发射和返回曾经是国际事件。人造卫星和水星任务的发射成为头版新闻。现在，创新浪潮的加速和监管的放松意味着数十个国家和公司能够将卫星和航天器送入轨道。所有这些卫星都必须通过火箭发射，而大部分材料最终都会返回。

就像巨轮在海洋中航行时留下的尾迹一样，火箭留下的金属痕迹可能会以科学家尚不明白的方式改变大气层。

奇佐说：“为了将物体送入轨道，你需要所有这些燃料和一个巨大的机身来支撑有效载荷。”“有如此多的火箭升起并返回，还有如此多的卫星穿过大气层落回，以至于它开始以这些气溶胶颗粒的形式出现在平流层中。”

当然，流星是第一个太空传输系统。每天都有陨石从大气层中坠落。大气的热量和摩擦力将材料从它们身上剥离，就像它们从人造物品上剥离一样。然而，虽然每天有数百颗流星进入地球大气层，但它们越来越多地与构成猎鹰号、阿丽亚娜号和联盟号火箭的大量金属相媲美，这些火箭将航天器送入太空并再次返回地球表面。

“大气的变化可能很难研究，也很难理解，”齐佐说。“但这项研究向我们展示的是，人类占领和载人航天对地球的影响可能是巨大的——也许比我们想象的更重要。了解我们的星球是最紧迫的研究重点之一。”