什么是“凱斯勒綜合癥”——為什么一些科學(xué)家認為太空災(zāi)難已經(jīng)開始了？

杰基·沃特斯

CNN記者杰基·沃特斯報道

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Fri東部時間2024年12月27日上午9:11更新

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11月，當一塊太空垃圾轉(zhuǎn)向國際空間站時，船上的七名宇航員做好了準備。

一艘與空間站相連的俄羅斯飛船點燃了引擎五分鐘，稍微調(diào)整了空間站的軌道，將足球場大小的實驗室移出了危險地帶。根據(jù)美國國家航空航天局的說法，如果空間站沒有改變路線，碎片可能會在其軌道路徑的2英里(4公里)內(nèi)經(jīng)過。

瑙卡?？吭谄濏f茲達服務(wù)艙

撞擊空間站的碎片可能會帶來災(zāi)難。一次撞擊可能降低了空間站的部分壓力，并使宇航員們匆忙返回家園。

更令人擔憂的是:潛在的罷工并不罕見。自2000年11月首次入住以來，國際空間站已經(jīng)不得不進行數(shù)十次類似的演習(xí)，隨著地球軌道上物體數(shù)量的激增，碰撞風(fēng)險每年都在增加。

多年來，太空交通專家已經(jīng)對日益嚴重的擁堵狀況敲響了警鐘。早期的碰撞、爆炸和武器測試已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)萬塊碎片，專家們正在追蹤這些碎片，可能還有數(shù)百萬塊用現(xiàn)有技術(shù)無法看到的碎片。

雖然宇航員面臨的風(fēng)險可能是最大的問題，但軌道擁堵也對衛(wèi)星和為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦恿Φ奶旎夹g(shù)構(gòu)成威脅，包括GPS工具以及一些寬帶、高速互聯(lián)網(wǎng)和電視服務(wù)。

圖森市亞利桑那大學(xué)的行星科學(xué)教授Vishnu Reddy博士說:“在過去的四年里，我們發(fā)射的太空物體的數(shù)量呈指數(shù)增長。”"因此，我們正走向我們一直害怕的局面."

雷迪提到的事件是一種被稱為凱斯勒綜合征的假設(shè)現(xiàn)象。

以美國天體物理學(xué)家唐納德·凱斯勒的名字命名，并基于他1978年的學(xué)術(shù)論文，凱斯勒綜合癥——這個術(shù)語現(xiàn)在被使用——有一個模糊的定義。

但這個短語概括地描述了太空中的碎片引發(fā)連鎖反應(yīng)的情景:一次爆炸產(chǎn)生大量碎片，這些碎片反過來撞擊其他太空物體，產(chǎn)生更多的碎片。級聯(lián)效應(yīng)可能會持續(xù)下去，直到地球軌道被垃圾堵塞，衛(wèi)星變得無法運行，太空探索必須停止。

2017年4月18日，退休的天體物理學(xué)家和前美國國家航空航天局科學(xué)家唐納德·凱斯勒參加了在德國達姆施塔特歐洲航天局舉行的歐洲空間碎片會議。麥/歐空局

研究人員對目前的風(fēng)險水平以及太空中的擁堵何時會達到無法挽回的地步持有不同意見。

但是有一件事是大家普遍認同的:根據(jù)CNN對科學(xué)家和太空交通專家的采訪，太空交通是一個迫切需要解決的嚴重問題。

太空中物體碰撞的頻率有多高？

據(jù)歐洲航天局(European Space Agency)稱，自1957年太空飛行開始以來，已經(jīng)發(fā)生了650多起“分裂、爆炸、碰撞或?qū)е滤槠漠惓Ｊ录薄?/span>

這些事件包括衛(wèi)星意外相撞，火箭部件和航天器意外爆炸，以及美國、俄羅斯、印度和中國等國家的武器試驗在軌道的不同高度噴出碎片。

例如，作為2021年武器測試的一部分，俄羅斯向自己的一顆衛(wèi)星發(fā)射了一枚導(dǎo)彈，產(chǎn)生了1500多塊可追蹤的碎片。

可視化描述了2009年2月失效的Kosmos 2251和活躍的Iridium 33通信衛(wèi)星的意外碰撞，產(chǎn)生了數(shù)千塊碎片。薩爾瓦多

兩個太空物體之間的最后一次重大事故發(fā)生在2009年2月，當時一顆名為Kosmos 2251的俄羅斯軍用衛(wèi)星撞上了銥星33號，這是一顆由美國電信公司銥星運營的現(xiàn)役通信衛(wèi)星。那次事件產(chǎn)生了一個巨大的云，由近2000塊直徑近4英寸(10厘米)的碎片和數(shù)千塊甚至更小的碎片組成。

較小規(guī)模的類似事件也很常見:例如，跟蹤太空物體的公司LeoLabs周一表示，美國空軍的一顆氣象衛(wèi)星于12月19日在軌道上解體，產(chǎn)生了至少50塊新的碎片。這只是過去幾個月里一連串的四次“碎片化”事件中最新的一次，這些事件產(chǎn)生了300多塊新的垃圾。

我們能看到什么，不能看到什么

對于那些管理衛(wèi)星的人來說，太空中的擁擠可能是一場噩夢。衛(wèi)星運營商每天都會收到十幾個甚至更多關(guān)于潛在碰撞的警報，這很常見。

跟蹤軌道上物體的過程稱為空間態(tài)勢感知，包括跟蹤可能的“會合”，或兩個實體之間的近距離接近。

例如，據(jù)LeoLabs稱，在今年的一次事故中，一顆美國國家航空航天局氣象衛(wèi)星以不到65英尺(20米)的距離險些與一枚報廢的俄羅斯火箭相撞。

但風(fēng)險可能比空間態(tài)勢感知所能預(yù)測的還要高。

在大多數(shù)情況下，要跟蹤的對象必須比網(wǎng)球大。其余的物體太小，無法反射光線，或者位于難以直接觀察的遙遠軌道區(qū)域。

空間交通軟件公司COMSPOC Corp .的特別項目主任鮑勃·霍爾(Bob Hall)說:“即使有今天最好的傳感器，也有限制可以可靠地'看到’或跟蹤什么，較小的空間碎片通常是無法跟蹤的?！?/span>

但是小物體仍然會造成重大威脅。根據(jù)美國國家航空航天局的說法，在軌道上，物體旋轉(zhuǎn)的速度如此之快，以至于即使是一點油漆也能穿透金屬。這意味著留在太空中的任何垃圾都令人深感擔憂，并且可能是災(zāi)難性的。

挑戰(zhàn)者號航天飛機上的一個窗口坑是1983年STS-7任務(wù)中發(fā)生的油漆碎片撞擊軌道碎片的結(jié)果。美國國家航空航天局

海拔越高，風(fēng)險越大

太空中碰撞的連鎖反應(yīng)究竟會如何發(fā)生還不清楚。

地球軌道的不同區(qū)域有它們自己的擁擠程度和風(fēng)險。近地軌道延伸到地球表面上方約1200英里(2000公里)，是迄今為止最擁擠的軌道。

這個地區(qū)是兩個載人空間站和大規(guī)模衛(wèi)星星座的所在地，這些衛(wèi)星向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送光束——如太空探索技術(shù)公司的近7000顆Starlink衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)——監(jiān)測天氣，觀察作物產(chǎn)量或分析氣候。

如果在近地軌道發(fā)生連鎖爆炸，可能會威脅宇航員的生命，停止火箭發(fā)射，并導(dǎo)致那里所有衛(wèi)星技術(shù)的毀滅。

這種情況下的好消息(如果有的話)是，災(zāi)難性的條件可能不會持續(xù)幾代人:“我們在低地球軌道上仍然有殘余的大氣層，所以我們有一個自然的清潔機制，”印第安納州普渡大學(xué)航空航天副教授卡羅琳·弗魯說。

Frueh說，在大約300英里(500公里)的高度，軌道上的物體將在大約25年內(nèi)自然落回地球或在大氣層中解體，這表明在這個距離的碎片場可能不會威脅未來幾代人進入太空。

但是在更高的軌道上，情況變化很快。在近500英里(800公里)的高度，一片碎片至少需要一個世紀才能被自然拖出太空。在超過621英里(1000公里)的地方，這個過程需要數(shù)千年。

這對地球同步軌道來說是個壞消息，地球同步軌道距離地球表面約22，236英里(35，786公里)，是價值2.5億美元的通信衛(wèi)星的所在地，這些衛(wèi)星向全球廣泛地區(qū)傳輸電視和其他服務(wù)。

“可能發(fā)生這種(類似凱斯勒綜合癥的事件)的最危險的地方是地球同步軌道，”亞利桑那大學(xué)的研究員雷迪說?！耙驗槲覀儧]有辦法快速清理它。”

級聯(lián)碰撞是如何發(fā)生的

2013年的電影《地心引力》將凱斯勒綜合癥的概念搬上了大銀幕:俄羅斯導(dǎo)彈襲擊一顆報廢的衛(wèi)星引發(fā)了一連串的碰撞，產(chǎn)生了一團垃圾，摧毀了其他衛(wèi)星和航天器。

專家說，雖然《地心引力》中的戲劇在一個半小時內(nèi)展開，但現(xiàn)實生活中的凱斯勒綜合癥可能需要幾年或幾十年才能結(jié)束。

自從這部電影在十多年前上映以來，軌道擁堵迅速增加:美國軍方當時跟蹤了大約23，000個物體，而今天只有47，000個物體。

普渡大學(xué)的弗魯說，盡管人們正在努力計算連鎖反應(yīng)可能在哪里、何時以及如何開始，但這是一項不可能完成的任務(wù)。

“一旦我們預(yù)測未來，我們就必須做出假設(shè)，”Frueh說?！懊總€模型都是錯的——(但)有些是有用的?！?/span>

模型是不準確的，因為即使是專家也不清楚物體在軌道上的位置。小于4英寸(10厘米)的物體基本上是看不見的。此外，科羅拉多大學(xué)空間天氣技術(shù)、研究和教育中心主任托馬斯·伯杰博士表示，空間天氣可以改變軌道軌跡，因此很難準確預(yù)測碎片的移動方式和位置。12月11日，伯杰在DC華盛頓州舉行的美國地球物理學(xué)聯(lián)合會年會上就此話題發(fā)表了講話。

可視化描繪了繞地球運行的直徑大于4英寸(10厘米)的物體。有線電視新聞網(wǎng)/歐空局

太空垃圾碎片的大小和形狀也是一個謎。因此，為了模擬一個單一的凱斯勒綜合癥效應(yīng)，分析人員必須準確地猜測衛(wèi)星將如何分裂，碎片的每一部分看起來是什么樣子，它將向何處移動，以及它接下來可能會撞擊什么其他物體。

COMSPOC公司太空標準和創(chuàng)新中心主任、首席科學(xué)家丹·奧爾特羅格(Dan Oltrogge)說，“讓我擔心的是，這些數(shù)據(jù)不夠準確，不足以讓你真正避免你認為你在避免的事情。”

凱斯勒綜合癥已經(jīng)開始了嗎？

鑒于“凱斯勒綜合癥”不是一個瞬間事件，科學(xué)家們正在爭論這一現(xiàn)象是否已經(jīng)在運動中。凱斯勒的思想實驗要求研究人員考慮，即使所有的火箭發(fā)射停止，太空中的碰撞是否仍然會增加軌道上的物體數(shù)量。目前還不清楚這一點是否已經(jīng)達到。

這篇文章采訪的研究人員對凱斯勒綜合癥的癥狀是否已經(jīng)開始提供了不同的觀點。

但是Frueh說這就是為什么她不再相信凱斯勒綜合癥是一個有用的術(shù)語。

“我認為不同的實體不同意，這讓公眾感到困惑，”她說。"這個概念本身并不像你想象的那樣清晰明了。"

專家們似乎都同意軌道上的情況是有問題的。沒有人說他們相信災(zāi)難肯定可以避免。他們說，更有可能的是，軌道上的垃圾將繼續(xù)激增。

Frueh說，“我很悲觀…我們會及時采取行動，不會在這個過程中造成經(jīng)濟損失?！?/span>

密歇根大學(xué)氣候和空間科學(xué)與工程教授尼爾通·雷諾博士說，他天生樂觀。但是地球軌道上的情況讓他想起了我們地球上正在發(fā)生的生態(tài)災(zāi)難。

“我喜歡把太空垃圾比作海洋中的塑料，”他說。“我們過去認為海洋是無限的，我們?nèi)永退芰?，現(xiàn)在我們意識到——不，那些是有限的資源。如果我們不小心行事，就會造成巨大的損失?！?/span>

預(yù)防凱斯勒綜合征

當談到防止地球軌道上碎片的擴散時，有兩大考慮因素。

一個是清理技術(shù):公司和政府倡議正在尋求開發(fā)將碎片拖出軌道的方法，例如由歐洲航天局和技術(shù)公司高性能空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)公司或HPS有限公司開發(fā)的阻力增加脫軌子系統(tǒng)或ADEO。根據(jù)歐空局的說法，原型制動帆于2022年12月從離子衛(wèi)星上成功部署。

es a的一份新聞稿稱，sail技術(shù)“通過增加大氣表面阻力效應(yīng)提供了一種被動的脫軌方法”，旨在使一顆報廢的衛(wèi)星更快地下降，并在地球大氣層中無碎片地?zé)龤А?/span>

然而，Renno指出，這些方法都是實驗性的，而且非常昂貴。也不清楚誰會愿意為此買單。

歐洲航天局和航空航天技術(shù)公司高性能空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)公司，或HPS有限公司，開發(fā)了一種原型阻力帆，于2022年12月成功部署。這將有助于加速退役小型衛(wèi)星的脫軌。薩爾瓦多

第二個考慮是監(jiān)管?？臻g政策專家多年來一直在努力通過新的國際準則或國家法律，以防止航天公司或壞人不負責(zé)任地行事。

有一些努力在進行中。9月，聯(lián)合國通過了《未來公約》。

會員國通過的這份文件包括一項意圖，即各國“通過和平利用外層空間委員會討論建立空間交通、空間碎片和空間資源的新框架?！?/span>

語言似乎含糊不清，空間政策專家指出，聯(lián)合國沒有強制手段。

Renno說，也許更實際的是，各個國家為太空利益相關(guān)者通過法律。他認為美國應(yīng)該在這個過程中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

亞利桑那大學(xué)的雷迪表示同意。

“我認為最大的擔憂是缺乏監(jiān)管，”他說?！拔艺J為由行業(yè)提出一些規(guī)范和指導(dǎo)方針會有很大幫助。”