十年卫星巨型星座任务的辐射强迫与臭氧损耗

卫星巨型星座（SMCs）正推动火箭发射与再入速率的快速增长，在整个大气层中排放污染物。SMCs的环境影响尚未得到充分表征，无法确定是否需要监管。研究人员利用全球三维排放清单，对近期（2020–2022年）区分SMC与非SMC排放的航天活动进行了核算。研究人员根据推进剂消耗量和再入质量的变化趋势，计算了十年排放量，预测SMC（28% a⁻¹）以及非SMC（<20% a⁻¹）推进剂和再入质量的增长率。研究人员将其输入GEOS-Chem化学传输模型（该模型耦合了辐射传输模型），以表征SMCs及所有任务类型对大气成分和气候的影响。到2029年，所有任务造成的全球平流层臭氧化学损耗主要由固体推进剂中的氯主导，与受管制源（2%）相比很小（0.02%）。SMC任务主要使用不排放氯的煤油燃料火箭，因此仅占所有任务臭氧损耗的9%。煤油是黑碳（BC）的大量来源，其单位质量BC排放引起的瞬时正辐射强迫比地表来源BC强迫高500倍以上。与地表来源不同，火箭排放的BC位于对流层顶之上，因此表现为潜在的太阳地球工程策略：正瞬时强迫（6.47 mW m⁻²），负平流层调整强迫（−6.40 mW m⁻²）。SMCs占瞬时强迫的56%以上和平流层调整强迫的42%。环境测量和实验室研究对于约束和验证研究人员的模型结果至关重要。

卫星巨型星座（SMCs），亦称为增殖型低地球轨道（pLEO）星座，正迅速成为当代航天工业活动和排放中比例日益增长的部分，2020至2022年间发射和再入速率年均增长28%，推动了航天部门的快速增长。预计未来10年内，目前活跃及未来的SMC提供商如中国的GuoWang和亚马逊的Leo等将至少额外部署65,000颗低地球轨道（LEO）卫星，这远超过欧洲航天局（ESA）空间碎片办公室目前追踪的约22,500个LEO物体。航天机构通过将任务后轨道寿命从25年缩短至5年，增加了再入速率，以应对LEO拥挤问题。另一个增加大气污染物排放的因素是SMC提供商提高巨型星座卫星的可焚毁性，以最小化再入伤亡风险。这些行业变化以及SMCs的快速部署和再入正在推动向对流层顶以上所有大气层直接注入未受管制的空气污染物，可能破坏地球辐射平衡并损耗平流层臭氧（O₃）。尽管如此，当代SMC排放估算仅限于单一研究，环境影响的评估仍是推测性的。更好地表征这一新型污染源对于为当前可持续性措施提供信息并确定是否需要监管至关重要。

火箭各级燃烧推进剂（燃料+氧化剂）以从地球表面升入轨道。高度精炼的煤油燃料配液氧氧化剂，主要由SpaceX猎鹰9号火箭使用，在2020–2022年主导了SMC载荷发射（86次中的70次）。煤油燃烧产生黑碳颗粒（BC）、一氧化碳（CO）、水蒸气（H₂O）和二氧化碳（CO₂）。活性氮以氮氧化物（NO）形式形成，来源于环境氮气（N₂）在热火箭排气羽流中的转化以及物体重返大气层时在激波中的转化。废弃于50公里以上的火箭级段、寿终载荷及其他废弃部件和碎片的烧蚀产生大量金属氧化物，通常以氧化铝颗粒（Al₂O₃）为主，源自几乎所有火箭和载荷中突出的铝合金。近期实验室实验测量的烧蚀过程中产生的其他化合物包括BC、H₂O、氨（NH₃）、氯化合物、CO和CO₂。SpaceX猎鹰9号火箭还具有可重复使用的第一级，该级段在分离后进行受控缓慢再入的点火燃烧，导致火箭级段烧蚀可忽略不计，并限制了与被丢弃下级相比的NO排放。

快速发展的航天工业已引起科学界越来越多的关注，人们担忧在缺乏监管的情况下潜在的环境影响。2009年全球火箭发射排放造成的平流层O₃损耗估计为<0.1%，而十年增长的2019年火箭发射和再入排放造成的损耗为0.01%。这显著低于2022年蒙特利尔议定书规定的臭氧损耗物质造成的约2%的O₃损失。然而，研究表明，为满足利用空间的商业和工业抱负而假设的未来发射和再入排放路径可能与受管制的地表来源相当。已提出的未来活动包括空间太阳能收集、小行星采矿、额外SMC提供商、太空旅游、高超音速旅行、太空和月球广告以及太阳系殖民。所有火箭发射和再入都对平流层O₃损耗有贡献。所有火箭发射和再入普遍存在的NO_x（NO + NO₂）以及来自固体推进剂和重返航天器树脂的氯是大多数火箭发射和再入O₃损耗的原因。所有碳基推进剂的BC颗粒排放和固体推进剂及几乎所有烧蚀物体的Al₂O₃也通过为异质氯活化提供表面而损耗O₃。额外的O₃损耗也可能通过BC吸收短波辐射引起的平流层增温发生。这种增温具有双重效应：增加O₃损耗反应速率和减弱平流层翻转。后者减少了从热带输送以补充极地O₃的O₃质量。

航天工业的气溶胶排放还通过造成大气顶（TOA）出射和入射辐射量的不平衡来影响气候。模型研究表明，归因于火箭发射和再入排放的正瞬时辐射强迫主要由BC吸收悬浮在平流层和中间层数年的短波辐射主导。Ryan等人（2022）的研究估计，火箭发射BC的正瞬时辐射强迫每单位质量BC排放比受管制地表来源的BC大近500倍。该研究假设这些气溶胶为外部混合。近期研究通过SABRE（平流层气溶胶过程、预算和辐射效应）飞机机动期间的详细气溶胶成分测量发现，烧蚀颗粒被快速摄取到现存的、丰度高的平流层气溶胶中。快速摄取对辐射强迫估计具有影响。例如，如果BC被平流层气溶胶包裹，BC短波吸收会通过透镜效应增加BC核心吸收的光量而增强。摄取也应影响O₃损耗，具有减少Al₂O₃颗粒表面发生的异质化学的相反效应，以及增强平流层硫酸盐气溶胶用于异质氯活化的表面积。这些效应的大小还取决于BC通过重力沉降的损失率变化，因为BC作为较大部分的一部分时沉降更快。

SMC相关发射和再入事件对O₃损耗和辐射强迫的贡献仍不清楚，尽管SMC带来的近期快速航天部门增长。建立SMC任务对大气影响的当代理解为评估其影响将如何随推进剂组合演变以及发射和再入节奏的变化提供了基线。目前，SMC任务以煤油燃料和可重复使用第一级为主，下一代SMC载荷正设计为在再入烧蚀过程中完全焚毁以减少空间碎片。这增加了释放到中间层的污染物量。亚微米颗粒可在回落到地球表面前悬浮长达4年。再入期间的污染物排放也将增加，因为巨型星座卫星设计为每约5年补充一次，而大多数非星座卫星的驻留时间超过15年。再入过程中形成的金属氧化物的辐射效应和O₃损耗潜力取决于再入位置、颗粒粒径和未来增长，这对评估SMCs的大气影响提出了独特挑战。

研究人员使用GEOS-Chem化学传输模型耦合辐射传输模型，量化了近期和预测的SMC任务火箭发射和再入造成的平流层O₃损失和直接辐射强迫。GEOS-Chem更新以考虑发射和再入颗粒快速摄取到平流层气溶胶，并根据SABRE对猎鹰9号火箭羽流的测量评估纳入Barker等人（2024）排放清单。分析包括模型敏感性模拟，以诊断模型假设和垂直分辨率对结果的影响，并指导未来研究和数据收集以解决主要的不确定性来源。

**方法关键技术**

研究人员采用三维化学传输模型GEOS-Chem version 14.3.0的GCClassic配置，耦合辐射传输模型RRTMG（Rapid Radiative Transfer Model for GCM Applications）。GEOS-Chem模拟的全球水平分辨率为4°纬度×5°经度（约400 km×约500 km），垂直分辨率为47层，延伸至0.01 hPa（约80 km；上中间层）。气象数据来自NASA的MERRA-2（Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2）。平流层特定的气相和异质化学采用UCX（unified tropospheric-stratospheric chemistry extension）方案表示。平流层气溶胶粒子表面的异质化学使用Kirner等人（2011）描述的热力学参数化计算。层顶以上使用简化线性化化学。

研究人员在GEOS-Chem中实现了Barker等人（2024）的全球三维发射和再入排放清单，涵盖2020–2022年主要污染物（BC、CO、H₂O、NO、HCl、Cl₂、Cl和Al₂O₃）。排放按是否为SMC任务（部署巨型星座卫星的发射或再入组件）分类。2020–2022年，SMC事件占所有446次发射中的86次和所有3623个再入物体中的959个。再入排放作为离散事件处理，均匀分布在覆盖中上中间层（80–60 km，0.01–0.21 hPa）的两个模型垂直层中。

2020–2022年清单排放预测至2029年，基于Barker等人（2024）清单中推进剂消耗（发射排放）和再入质量（再入排放）的2020–2022年增长率。使用的增长率为：SMC发射和再入排放28% a⁻¹，非SMC发射排放18% a⁻¹，非SMC再入排放15% a⁻¹。

研究人员利用SABRE（Stratospheric Aerosol processes, Budget and Radiative Effects）活动中NASA WB-57高空研究飞机对Falcon-9火箭羽流的观测来评估清单技能。活动于2023年2月18日在15.72和15.87 km高度两次拦截羽流，分别于发射后约41和45分钟。通过计算H₂O和NO_x相对于环境条件的增强并比值（NO_x/H₂O），与清单中Falcon 9火箭发射估计值进行比较，以评估清单中使用的垂直分辨排放指数。

GEOS-Chem模型不包含Al₂O₃，因此将其作为新气溶胶物种添加。假设Al₂O₃与硫酸盐具有相同吸湿性。发射Al₂O₃质量的8%假设为亚微米（Schmid等人2003），有效半径0.14 μm（Jackman等人1998；Ryan等人2022）。剩余质量平均分配到三个粗模态，半径分别为1.4、2.4和4.5 μm。仅亚微米Al₂O₃参与异质Cl活化反应。采用尘埃的光学性质作为Al₂O₃的替代，以确定其辐射效应。BC排放为80%疏水和20%亲水，干半径0.035 μm。

模型更新包括Al₂O₃和新排放BC的重力沉降计算，以及BC和Al₂O₃快速摄取到平流层硫酸盐（当平流层液态气溶胶SLA超过2 ng m⁻³模型背景浓度时，假设100%效率摄取）。RRTMG更新包括固定动力加热（FDH）近似，以计算平流层调整辐射强迫（SARF）。

**研究结果**

**当前及预测火箭发射和再入排放的评估：** SABRE测量的ΔNO_x/ΔH₂O为7.6±1.5 ppb ppm⁻¹（第一羽流拦截）和6.1±0.6 ppb ppm⁻¹（第二羽流拦截）。Barker等人（2024）清单中煤油燃料Falcon 9火箭的排放指数产生ΔNO_x/ΔH₂O比值：15.72 km处1.3 ppb ppm⁻¹，15.87 km处1.2 ppb ppm⁻¹，比测量推断比值低5–6倍。与SABRE测量比值最一致的清单ΔNO_x/ΔH₂O高度为8.5 km，远低于SABRE活动拦截Falcon 9火箭羽流的约16 km高度。这表明火箭羽流整体燃烧效率随高度下降比清单假设的更为平缓。使用积分方法替代的羽流拟合，第一和第二羽流的ΔNOx]/ΔH₂O比值分别比高斯拟合高2%和8%，在10%–20%的不确定性范围内。

2020年初期和2029年初期的各空气污染物排放显示，SMC比例最大的污染物为BC（43%）和CO（48%）。2029年SMC任务的氯和Al₂O₃发射排放量小（<0.01 Gg），占总任务的<10%，因固体火箭发动机 rarely used for SMC payloads。

通过比较预测的2023–2024年发射和再入与实际统计验证，研究发现低估所有任务推进剂消耗16%（11.6 Gg，2023年）和12%（8.2 Gg，2024年），低估总再入质量8%（0.5 Gg，2023年）和9%（0.7 Gg，2024年）。非SMC增长率被高估，SMC增长率被低估，可能导致SMC影响被低估。预测代表保守估计。

**卫星巨型星座对平流层成分和臭氧的影响：** 2020–2029年全球月平均平流层O₃、NO_x、BC、Al₂O₃、Cly浓度及SLA表面积浓度的变化显示，所有化合物约需3年建立季节趋势。BC和Cly具有持续的季节性，去季节化月平均的皮尔逊相关系数R为0.94。BC在11月至1月达峰，6月至7月最低；Cly在12月至1月达峰，6月至9月最低。这是因为BC和氯来自几乎均在北半球的发射。

NO_x排放主要来自集中于赤道上空的再入，注入NO_x到南北两半球平流层上层，增加上平流层NO_x浓度。平流层NO_x总体下降归因于极夜期间NO_x快速转化为NO_x储库化合物N₂O₅，后者水解为HNO₃。SMCs占再入NO_x排放的24%（2029年）和平流层NO_x增加的20%（2029年）。SMCs对SLA表面积浓度增加的贡献为20%（十年末）。

2029年末所有任务类型的全球平流层O₃化学损耗（主要或直接损失）为0.018%（0.050 Dobson Units, DU）。这约是Ross等人（2009）计算的2000年代中期全球火箭发射排放造成的~0.03%平流层O₃下降的一半，因固体火箭（当时占平流层排放的33%）现在仅占2022–2029年所有任务火箭舰队消耗推进剂的10%。SMC排放通过主要化学损失使平流层O₃减少0.002%（0.005 DU），仅占所有任务类型平流层O₃损耗的9%。

O₃损耗是上下平流层O₃损耗（峰值约3 hPa或40 km）与中平流层O₃窄增强（峰值约24 hPa或25 km）的组合。峰值O₃损失在北半球上平流层为6.6 ppb或0.13%（所有任务）。中平流层O₃增强为3.6 ppb或0.07%，因SLA表面积浓度增加促进N₂O₅快速水解形成更稳定的HNO₃，减少NO_x对O₃的损耗。

**卫星巨型星座对辐射强迫的影响：** 所有任务和SMC任务的全球年度瞬时辐射强迫（IRF）均为正，平流层调整辐射强迫（SARF）均为负，主要由于BC吸收入射短波辐射。所有任务的全球年平均IRF为6.47 mW m⁻²，SARF接近相等为−6.40 mW m⁻²。北半球平流层温度调整峰值达63 mK。SMC-only辐射强迫空间模式与所有任务相似，占所有任务IRF的56%（平均3.65 mW m⁻²）和SARF的42%（平均−2.70 mW m⁻²）。

BC对所有任务具有最大的IRF（+9.7 mW m⁻²）和SARF（−6.8 mW m⁻²）。BC IRF标准化值（2029年BC排放）为11 mW m⁻² (Gg BC_emis)⁻¹，表明线性关系。该标准化强迫超过Ryan等人（2022）的~8–10 mW m⁻² (Gg BC_emis)⁻¹，因更多BC排放于对流层顶之上，且考虑了BC包裹的透镜效应。研究人员的标准化IRF是所有人为来源BC标准化强迫的540倍。

SLA表面积浓度增加（来自BC和Al₂O₃摄取）引起负IRF −1.6 mW m⁻²和SARF −1.3 mW m⁻²。平流层O₃损耗造成IRF −3.46 mW m⁻²和SARF +1.42 mW m⁻²。Al₂O₃的IRF近乎可忽略（0.06 mW m⁻²，44%来自SMC任务），尽管其排放量（4.39 Gg发射Al₂O₃和1.80 Gg再入Al₂O₃，2029年）远大于BC排放（0.87 Gg）。

**讨论**

Maloney等人（2022）模拟了半个世纪10 Gg a⁻¹ BC排放的影响，其BC排放情景超过研究人员2029年预测近一个数量级。他们的年平流层O₃损耗效率为每Tg平流层消耗推进剂4%。研究人员使用的清单中，平流层消耗推进剂从2020年10.5 Gg增至2029年43.9 Gg，等效O₃损耗效率约为~0.4%每Tg消耗推进剂。差异可能因研究人员仅考虑初级O₃损耗（气相和多相反应），而Maloney等人（2022）的模型还包括BC引起的平流层增温的次级（动力和动力学）效应。研究人员的~0.4%每Tg初级O₃损失暗示次级效应大小约为~3.6%每Tg平流层消耗推进剂。若将次级效应加入，全球平流层O₃损耗从0.02%显著增至~0.18%，但仍比蒙特利尔议定书地表来源低一个数量级。假设GEOS-Chem未考虑的次级效应占全球O3损耗的~3.6%每Tg平流层消耗推进剂，SMC贡献可能高达所有任务O₃损耗的~33%，增加3倍。

研究人员评估了对不确定性的敏感性，包括模型垂直分辨率、亚轨道物体再入排放、再入Al₂O₃粒径分布、模型顶部以上排放、额外再入烧蚀污染物以及预测增长。72层模型与47层模型模拟的2022年年平均平流层O₃损耗相同（0.002%）。将亚轨道物体（远地点<100 km）视为可重复使用物体处理，仅将总O₃损耗从0.018%微调至0.017%。所有再入Al₂O₃质量置于亚微米粒径箱对2023年全球平流层平均O₃损耗影响可忽略（<1 pptv）。

BC在模型模拟中被低估，因上级火箭级段发射排放超出GEOS-Chem垂直范围。2022年所有任务40%的BC排放于80 km以上。假设自由落体，600 km高度以零初速发射的BC约6分钟后到达模型顶部（80 km）。另一重要缺失来源是碳复合材料、陶瓷和树脂再入烧蚀形成的BC，Beck等人（2019）报告最坏情况排放因子。2020–2022年再入BC排放总计0.10 Gg，显著（13%）增加模型顶部内发射BC排放。包括这两个缺失的BC来源可能使对流层顶以上BC浓度增加~50%，BC IRF可能从9.71增至~15 mW m⁻²。

研究人员的预测低估了2023–2024年实际航天活动，代表保守估计。随着SMC行业发展，环境后果可能变化。亚马逊Leo SMC将主要使用固体火箭助推器发射；中国Guowang和Qianfan SMC迄今使用固体火箭助推器发射。更多样化的SMC火箭舰队增加固体推进剂比例可能增加O₃损耗。液甲烷燃料（methalox）预测比等质量煤油排放更少BC，但准确排放因子缺乏。SpaceX Starship火箭的下一代运载能力约为Falcon 9的7倍，但燃烧约9倍推进剂，干质量约大10倍，将产生更多发射BC和再入NO_x。

**研究结论**

卫星巨型星座（SMCs）自2019年首批运行卫星发射以来快速增长，现占低地球轨道卫星近四分之三和大部分消耗推进剂。未来几十年将进一步快速扩张，导致发射速率显著增加以维持巨型星座数量，以及再入速率增加因这些相对短寿命卫星达到寿终。

研究人员使用巨型星座时代初期（2020–2022年）火箭发射和物体再入主要空气污染物的排放清单，评估清单中NO_x排放因子，并将其投影至2029年。SABRE高空飞机观测的简短羽流内测量表明，所用排放清单低估了低平流层NO_x产生，因清单基于固体火箭发动机数据导致火箭羽流整体燃烧效率随高度下降过快。增加的总体低平流层燃烧效率也暗示清单高估了BC和CO排放。在飞机飞行上限内多种高度的额外羽流内测量对更好表征航天部门使用各种推进剂的的高度依赖排放至关重要。

基于SMC和非SMC特定趋势的推进剂消耗（28% a⁻¹ SMC，18% a⁻¹非SMC）和再入质量（28% a⁻¹ SMC，15% a⁻¹非SMC）投影排放至2029年。火箭发射推进剂消耗于十年末超过126 Gg，再入质量超过11 Gg。2023和2024年实际航天活动增长快于预测。预测低估了发射和再入增长达16%，提供保守估计。预测还高估非SMC排放、低估SMC排放，导致SMC相对大气影响被低估。

十年增长的空间工业排放造成的全球平流层臭氧损耗小（0.02%），与先前研究相似。SMCs仅造成此损耗的9%，因少数巨型星座卫星使用排放强臭氧损耗氯化合物的固体火箭发射。臭氧损耗（及SMC贡献）未来可能增加，因新巨型星座提供商计划使用固体火箭。

所有任务造成的辐射强迫由BC吸收短波太阳辐射主导，产生大气顶正IRF 6.47 mW m⁻²和负SARF −6.40 mW m⁻²。在此方面，这些航天活动等同于小规模的、不受控制的、未经审查和未经测试的太阳地球工程实验。SMCs贡献近半（42%）的所有任务SARF，因SMCs占火箭发射致平流层BC质量装载增加的44%。SMCs对IRF的贡献（56%）大于其对平流层BC质量装载的贡献（44%），因SMC任务近乎可忽略的臭氧损耗对BC正IRF的缓解少于所有任务。BC IRF效率比其他所有人为来源高~540倍，无论任务类型。

需要进一步实验研究约束模拟结果的不确定性，尤其是金属氧化物再入排放的光学、物理和化学性质，以及SMC和非SMC市场的预期增长。敏感性测试发现臭氧损耗结果基本不受慢速亚轨道再入保留、再入Al₂O₃假设粒径分布或模型垂直分辨率影响。导致结果偏差的因素包括：模型顶部以上发射排放和碳组分再入烧蚀的BC流入缺失（辐射强迫和臭氧损耗偏差）、SABRE飞机测量比较暗示的发射排放垂直分布误表征，以及BC吸收短波辐射后瞬时大气增温引起的缺失次级臭氧损耗过程。

研究人员量化的大气影响在未来几十年内可能显著增加，因新SMC快速部署可能抵消蒙特利尔议定书等成功政策干预取得的成果，尤其是使用固体火箭发动机时加剧。通过高空飞机和实验室实验测量对约束和验证GEOS-Chem等模型至关重要。由于即将部署包含数十万颗新卫星的新SMC、火箭载荷能力增加以及为清理低地球轨道引入的离轨规定，亟需开展此类工作。