普渡大学科学学院地球、大气和行星科学系教授兼系主任丹·奇佐(Dan Cziczo)是研究小组的一员，他在大气中的气溶胶中发现了大量金属，这可能来自日益频繁的航天器和卫星的发射和返回。数据是在距离火星表面11英里以上的地方收集的，使用的是绑在研究飞机前锥体上的采样工具。图片来源:普渡大学photo/John Underwood

　　航天器对大气的影响

　　在地球、大气和行星科学系副教授、美国国家海洋和大气管理局研究员丹·墨菲的带领下，该团队检测到20多种元素的比例与航天器合金的比例相似。他们发现，宇宙飞船再入大气层时产生的锂、铝、铜和铅的质量远远超过了自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，将有多达5万颗卫星进入轨道。研究小组计算出，这意味着，在未来几十年里，多达一半的平流层硫酸颗粒将含有再入大气层时的金属。这对大气、臭氧层和地球上的生命会产生什么影响还不得而知。

　　平流层研究中的挑战

　　长期以来，科学家们一直怀疑宇宙飞船和卫星正在改变高层大气，但研究平流层是具有挑战性的，因为我们并不生活在平流层，即使是最高的航班也只是短暂进入平流层。

　　作为美国航空航天局空中科学计划的一部分，墨菲和他的团队驾驶一架WB-57飞机在阿拉斯加上空11.8英里(19公里)的地方对大气进行采样，那里容易形成环极云。Cziczo和他的团队在美国大陆上空的ER-2飞机上进行了类似的测量。两组人都使用挂在鼻锥上的仪器，以确保只采集最新鲜、最不受干扰的空气。

　　了解平流层

　　就像平静的海洋表面一样，平流层看起来也很平静——至少在人类眼中是这样。生命和文明主要发生在地球表面和对流层，即大气的最底层。平流层是大气中令人惊讶的稳定和看似平静的一层。

　　平流层也是臭氧层的领域:这种神奇的气体就像一个全球性的帐篷，保护地球和地球上的所有生命免受炙热、灼热的紫外线辐射。如果没有臭氧层，地球上可能永远不会出现生命。没有它，生命就不可能继续存在。

　　过去的几十年对平流层来说是多事的。臭氧层在20世纪80年代受到氯氟化碳的威胁，只有各国政府和企业协调一致、持续不断的全球努力，才开始在修复和补充臭氧层方面取得成果。

　　“流星划过大气层，”Cziczo说。“通常情况下，流星在大气层中燃烧，甚至不会变成陨石到达地球。所以制造它的材料会以离子的形式留在大气中。它们形成非常热的气体，这些气体开始冷却并凝结成分子，落入平流层。这些分子找到彼此并结合在一起，形成了我们所说的陨石烟雾。科学家们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，是什么发生了变化?”因为陨石的成分没有改变。但是宇宙飞船的数量已经增加了。”

　　宇宙飞船的永恒遗产

　　宇宙飞船的发射和返回曾经是国际大事。人造卫星和水星任务的发射成为了头版新闻。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用火箭发射升空，而大部分的材料最终都会返回地面。

　　就像在海洋中航行的大船的尾迹一样，火箭留下的金属痕迹可能会以科学家尚不了解的方式改变大气。

　　“只是为了把东西送入轨道，你需要所有这些燃料和一个巨大的身体来支持有效载荷，”Cziczo说。“有这么多火箭升空又回来，有这么多卫星在大气层中坠落，它们开始以这些气溶胶颗粒的形式出现在平流层。”

　　当然，流星是第一个太空运输系统。每天都有陨石穿过大气层。大气的热量和摩擦使它们的物质脱落，就像人造工艺品一样。然而，虽然每天都有数百颗流星进入地球大气层，但它们越来越多地与组成猎鹰、阿丽亚娜和联盟号火箭的大量金属相媲美，这些火箭将宇宙飞船送入太空，并再次返回地球表面。

　　“大气的变化很难研究，也很难理解，”Cziczo说。“但这项研究告诉我们的是，人类占领和人类太空飞行对地球的影响可能是巨大的，也许比我们想象的还要大。”了解我们的星球是最紧迫的研究重点之一。”

　　参考文献:《航天器再入平流层气溶胶颗粒中的金属》，作者:Daniel M. Murphy、Maya aboughanem、Daniel J. Cziczo、Karl D. Froyd、Justin Jacquot、Michael J. Lawler、Christopher Maloney、John M. C. Plane、Martin N. Ross、Gregory P. Schill和Xiaoli Shen, 2023年10月16日，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2313374120