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

杰基·沃特斯

CNN記者杰基·沃特斯報(bào)道

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Fri東部時(shí)間2024年12月27日上午9:11更新

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11月，當(dāng)一塊太空垃圾轉(zhuǎn)向國(guó)際空間站時(shí)，船上的七名宇航員做好了準(zhǔn)備。

一艘與空間站相連的俄羅斯飛船點(diǎn)燃了引擎五分鐘，稍微調(diào)整了空間站的軌道，將足球場(chǎng)大小的實(shí)驗(yàn)室移出了危險(xiǎn)地帶。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局的說(shuō)法，如果空間站沒(méi)有改變路線，碎片可能會(huì)在其軌道路徑的2英里(4公里)內(nèi)經(jīng)過(guò)。

瑙卡?？吭谄濏f茲達(dá)服務(wù)艙

撞擊空間站的碎片可能會(huì)帶來(lái)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(dān)憂的是:潛在的罷工并不罕見(jiàn)。自2000年11月首次入住以來(lái)，國(guó)際空間站已經(jīng)不得不進(jìn)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(xiǎn)每年都在增加。

多年來(lái)，太空交通專家已經(jīng)對(duì)日益嚴(yán)重的擁堵?tīng)顩r敲響了警鐘。早期的碰撞、爆炸和武器測(cè)試已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)萬(wàn)塊碎片，專家們正在追蹤這些碎片，可能還有數(shù)百萬(wàn)塊用現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法看到的碎片。

雖然宇航員面臨的風(fēng)險(xiǎn)可能是最大的問(wèn)題，但軌道擁堵也對(duì)衛(wèi)星和為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦?dòng)力的天基技術(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(shuō):“在過(guò)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(zhǎng)?！?quot;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(guó)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(gè)術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在被使用——有一個(gè)模糊的定義。

但這個(gè)短語(yǔ)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(guò)來(lái)撞擊其他太空物體，產(chǎn)生更多的碎片。級(jí)聯(lián)效應(yīng)可能會(huì)持續(xù)下去，直到地球軌道被垃圾堵塞，衛(wèi)星變得無(wú)法運(yùn)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(guó)國(guó)家航空航天局科學(xué)家唐納德·凱斯勒參加了在德國(guó)達(dá)姆施塔特歐洲航天局舉行的歐洲空間碎片會(huì)議。麥/歐空局

研究人員對(duì)目前的風(fēng)險(xiǎn)水平以及太空中的擁堵何時(shí)會(huì)達(dá)到無(wú)法挽回的地步持有不同意見(jiàn)。

但是有一件事是大家普遍認(rèn)同的:根據(jù)CNN對(duì)科學(xué)家和太空交通專家的采訪，太空交通是一個(gè)迫切需要解決的嚴(yán)重問(wèn)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(kāi)始以來(lái)，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(guó)、俄羅斯、印度和中國(guó)等國(guó)家的武器試驗(yàn)在軌道的不同高度噴出碎片。

例如，作為2021年武器測(cè)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(gè)太空物體之間的最后一次重大事故發(fā)生在2009年2月，當(dāng)時(shí)一顆名為Kosmos 2251的俄羅斯軍用衛(wèi)星撞上了銥星33號(hào)，這是一顆由美國(guó)電信公司銥星運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)役通信衛(wèi)星。那次事件產(chǎn)生了一個(gè)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(jiàn):例如，跟蹤太空物體的公司LeoLabs周一表示，美國(guó)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(guò)去幾個(gè)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(duì)于那些管理衛(wèi)星的人來(lái)說(shuō)，太空中的擁擠可能是一場(chǎng)噩夢(mèng)。衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商每天都會(huì)收到十幾個(gè)甚至更多關(guān)于潛在碰撞的警報(bào)，這很常見(jiàn)。

跟蹤軌道上物體的過(guò)程稱為空間態(tài)勢(shì)感知，包括跟蹤可能的“會(huì)合”，或兩個(gè)實(shí)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(guó)國(guó)家航空航天局氣象衛(wèi)星以不到65英尺(20米)的距離險(xiǎn)些與一枚報(bào)廢的俄羅斯火箭相撞。

但風(fēng)險(xiǎn)可能比空間態(tài)勢(shì)感知所能預(yù)測(cè)的還要高。

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

空間交通軟件公司COMSPOC Corp .的特別項(xiàng)目主任鮑勃·霍爾(Bob Hall)說(shuō):“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(wú)法跟蹤的?！?/span>

但是小物體仍然會(huì)造成重大威脅。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局的說(shuō)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(diǎn)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(dān)憂，并且可能是災(zāi)難性的。

挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)上的一個(gè)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(guó)國(guó)家航空航天局

海拔越高，風(fēng)險(xiǎn)越大

太空中碰撞的連鎖反應(yīng)究竟會(huì)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(xiǎn)。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(gè)地區(qū)是兩個(gè)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(cè)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(huì)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(huì)持續(xù)幾代人:“我們?cè)诘偷厍蜍壍郎先匀挥袣堄嗟拇髿鈱樱晕覀冇幸粋€(gè)自然的清潔機(jī)制，”印第安納州普渡大學(xué)航空航天副教授卡羅琳·弗魯說(shuō)。

Frueh說(shuō)，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(gè)距離的碎片場(chǎng)可能不會(huì)威脅未來(lái)幾代人進(jìn)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(gè)世紀(jì)才能被自然拖出太空。在超過(guò)621英里(1000公里)的地方，這個(gè)過(guò)程需要數(shù)千年。

這對(duì)地球同步軌道來(lái)說(shuō)是個(gè)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(jià)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(xiǎn)的地方是地球同步軌道，”亞利桑那大學(xué)的研究員雷迪說(shuō)。“因?yàn)槲覀儧](méi)有辦法快速清理它。”

級(jí)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(bào)廢的衛(wèi)星引發(fā)了一連串的碰撞，產(chǎn)生了一團(tuán)垃圾，摧毀了其他衛(wèi)星和航天器。

專家說(shuō)，雖然《地心引力》中的戲劇在一個(gè)半小時(shí)內(nèi)展開(kāi)，但現(xiàn)實(shí)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(lái)，軌道擁堵迅速增加:美國(guó)軍方當(dāng)時(shí)跟蹤了大約23，000個(gè)物體，而今天只有47，000個(gè)物體。

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

“一旦我們預(yù)測(cè)未來(lái)，我們就必須做出假設(shè)，”Frueh說(shuō)。“每個(gè)模型都是錯(cuò)的——(但)有些是有用的。”

模型是不準(zhǔn)確的，因?yàn)榧词故菍＜乙膊磺宄矬w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(jiàn)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)碎片的移動(dòng)方式和位置。12月11日，伯杰在DC華盛頓州舉行的美國(guó)地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)年會(huì)上就此話題發(fā)表了講話。

可視化描繪了繞地球運(yùn)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(gè)謎。因此，為了模擬一個(gè)單一的凱斯勒綜合癥效應(yīng)，分析人員必須準(zhǔn)確地猜測(cè)衛(wèi)星將如何分裂，碎片的每一部分看起來(lái)是什么樣子，它將向何處移動(dòng)，以及它接下來(lái)可能會(huì)撞擊什么其他物體。

COMSPOC公司太空標(biāo)準(zhǔn)和創(chuàng)新中心主任、首席科學(xué)家丹·奧爾特羅格(Dan Oltrogge)說(shuō)，“讓我擔(dān)心的是，這些數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，不足以讓你真正避免你認(rèn)為你在避免的事情?！?/span>

凱斯勒綜合癥已經(jīng)開(kāi)始了嗎？

鑒于“凱斯勒綜合癥”不是一個(gè)瞬間事件，科學(xué)家們正在爭(zhēng)論這一現(xiàn)象是否已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)中。凱斯勒的思想實(shí)驗(yàn)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(huì)增加軌道上的物體數(shù)量。目前還不清楚這一點(diǎn)是否已經(jīng)達(dá)到。

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

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

“我認(rèn)為不同的實(shí)體不同意，這讓公眾感到困惑，”她說(shuō)。"這個(gè)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(wèn)題的。沒(méi)有人說(shuō)他們相信災(zāi)難肯定可以避免。他們說(shuō)，更有可能的是，軌道上的垃圾將繼續(xù)激增。

Frueh說(shuō)，“我很悲觀…我們會(huì)及時(shí)采取行動(dòng)，不會(huì)在這個(gè)過(guò)程中造成經(jīng)濟(jì)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(shuō)，他天生樂(lè)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(shuō)?！拔覀冞^(guò)去認(rèn)為海洋是無(wú)限的，我們?nèi)永退芰希F(xiàn)在我們意識(shí)到——不，那些是有限的資源。如果我們不小心行事，就會(huì)造成巨大的損失。”

預(yù)防凱斯勒綜合征

當(dāng)談到防止地球軌道上碎片的擴(kuò)散時(shí)，有兩大考慮因素。

一個(gè)是清理技術(shù):公司和政府倡議正在尋求開(kāi)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(kāi)發(fā)的阻力增加脫軌子系統(tǒng)或ADEO。根據(jù)歐空局的說(shuō)法，原型制動(dòng)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(guò)增加大氣表面阻力效應(yīng)提供了一種被動(dòng)的脫軌方法”，旨在使一顆報(bào)廢的衛(wèi)星更快地下降，并在地球大氣層中無(wú)碎片地?zé)龤А?/span>

然而，Renno指出，這些方法都是實(shí)驗(yàn)性的，而且非常昂貴。也不清楚誰(shuí)會(huì)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(kāi)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(gè)考慮是監(jiān)管?？臻g政策專家多年來(lái)一直在努力通過(guò)新的國(guó)際準(zhǔn)則或國(guó)家法律，以防止航天公司或壞人不負(fù)責(zé)任地行事。

有一些努力在進(jìn)行中。9月，聯(lián)合國(guó)通過(guò)了《未來(lái)公約》。

會(huì)員國(guó)通過(guò)的這份文件包括一項(xiàng)意圖，即各國(guó)“通過(guò)和平利用外層空間委員會(huì)討論建立空間交通、空間碎片和空間資源的新框架?！?/span>

語(yǔ)言似乎含糊不清，空間政策專家指出，聯(lián)合國(guó)沒(méi)有強(qiáng)制手段。

Renno說(shuō)，也許更實(shí)際的是，各個(gè)國(guó)家為太空利益相關(guān)者通過(guò)法律。他認(rèn)為美國(guó)應(yīng)該在這個(gè)過(guò)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(rèn)為最大的擔(dān)憂是缺乏監(jiān)管，”他說(shuō)?！拔艺J(rèn)為由行業(yè)提出一些規(guī)范和指導(dǎo)方針會(huì)有很大幫助?！?/span>