卫星星座的激增引发对天文观测和环境的挑战

Chris Palmer

工程（英文） ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (5) : 9 -11.

PDF (1304KB)
工程（英文） ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (5) : 9 -11. DOI: 10.1016/j.eng.2024.04.006
新闻热点

卫星星座的激增引发对天文观测和环境的挑战

作者信息 +

Proliferating Satellite Constellations Pose Astronomical and Environmental Challenges

Author information +
文章历史 +
PDF (1334K)

引用本文

引用格式 ▾
Chris Palmer. 卫星星座的激增引发对天文观测和环境的挑战[J]. 工程（英文）, 2024, 36(5): 9-11 DOI:10.1016/j.eng.2024.04.006

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

2023年10月6日，亚马逊公司（美国华盛顿西雅图）向低地球轨道[1]首次发射了“柯伊伯计划”的两颗原型卫星。“柯伊伯计划”是由3236颗卫星组成的卫星星座，这些卫星将协同工作，最终为全球数千万用户提供互联网服务。“柯伊伯”以海王星以外的冰、岩石和小行星带命名。尽管该计划的卫星数量比SpaceX（太空探索技术公司，位于美国加利福尼亚州霍桑市）、OneWeb（英国伦敦）等公司建造的所谓大型星座要少，但亚马逊公司计划在未来几年内以历史性的速度将其“柯伊伯”卫星送入轨道。
对天基通信网络的这种雄心壮志引起了人们对地球上空卫星激增可能产生的负面后果的新担忧，因为它们会干扰天文观测并加剧大气污染。虽然天文学家和环保人士等指出了这些担忧，但他们也注意到，监管机构似乎无法对该行业设定限制。
这些星座有望在全球范围内提供互联网接入。“任何人都不可能铺设足够的光纤来实现这一点。”专门追踪太空碎片的LeoLabs公司（美国加利福尼亚州门洛帕克）的高级技术研究员Darren McKnight说道，“这并不意味着行业人士可以为所欲为。他们需要迅速反应，并真正理解潜在的负面后果。”
十年前，轨道上的活跃卫星还不到1000颗。截至2023年6月，这一数字已超过1.1万颗[2]。SpaceX公司的Starlink星座现在为两百万客户提供互联网服务[3]，该星座的卫星已经超过5400颗[4]。各公司的卫星总数将迅速增加（图1）。
2022年4月，为了开始建设其“柯伊伯”星座，亚马逊公司购买了多达83次火箭发射服务，这是有史以来最大的商业发射采购，其中包括从其旗下商业太空公司Blue Origin（美国华盛顿州肯特）购买的27次发射服务[1]。美国联邦通信委员会（FCC）负责监管卫星与地面的通信，它于2020年批准了亚马逊公司的“柯伊伯”网络。FCC要求该公司在2026年7月之前发射计划中的3236颗卫星中的一半，其余卫星需在2029年7月之前部署完毕[1]。
卫星星座通过无线电信号进行相互通信并与地面通信。2017—2022年，向国际电信联盟（ITU）提交的无线电频谱分配申请显示，计划上线的卫星数量已超过一百万颗——包括90个超过1000颗卫星的星座[5]。大约三分之一的申请来自法国公司E-Space，该公司于2021年9月通过卢旺达航天局提交了一份名为Cinnamon-937、包含337 320颗卫星的星座申请。该公司在2023年6月又提交了另一份包含116 640颗卫星的大型申请[6]。虽然这些数字看起来庞大，但许多专家预计实际上只有一小部分卫星会被发射。此外，技术的进步使得每颗卫星都具备足够的功能，有些卫星可能还没有鞋盒大；这反过来使得如此庞大的星座在经济上变得可行，大大降低了建造、发射和更换它们的成本。
然而，不出所料，这些数字让天文学家感到担忧[7]。虽然卫星本身不发光，但它们会将阳光反射回地球。有些卫星反射的光强度如此之大，以至于当天文学家使用望远镜在长时间曝光下捕捉天空中的光线时，这些反射的光在图像上留下了明亮的轨迹（图2）。这些光迹常常使数据无法读取。
“卫星无处不在。”美国华盛顿大学西雅图分校的天文学家Meredith Rawls说道，“你即便跑到最偏远的山顶也无法躲避它们，因为它们就是要覆盖全球。”Rawls与维拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory）有合作关系。
卫星的全球覆盖不仅仅对基于光的观测造成困扰。基于无线电的观测也同样面临风险。“无线电天文台通常位于偏远地区，周围有受保护的静默区。”加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学的物理与天文学副教授Aaron Boley说道，“虽然有一些协调协议来确保卫星运营商不会直接向无线电设施传输信号，但卫星的运行本身就会产生无线电噪声。现在随着这么多卫星的升空，这种噪声正成为一个越来越严重的问题。”
卫星不仅使天文观测变得更加困难，甚至会严重误导天文学家的研究方向。2020年12月，美国和中国的天文学家报告了他们认为是来自有史以来观测到的最遥远星系的高能光爆发[8]。但其他科学家此后提出证据表明，这次爆发只是一颗过境卫星[9]。这样的错误可能会产生严重后果。“天文学是我们测试关于新物理的基础理论的方式之一。”Boley说，“干扰它就会削弱我们更好地理解宇宙的能力。”
对于搜寻可能会与地球相撞的天体的行星防御系统来说，拥有对夜空的清晰无遮挡视野是至关重要的。“对于这类观测来说，时间至关重要。”Boley说道，“由于存在数据丢失和观测延迟，因此人类在面对生存威胁时可能都来不及作出反应（就已然遭受了毁灭性打击）。”
天文学家并非完全无计可施。他们已经开发了一些技巧来规避卫星干扰。“在某种程度上，我们知道这些卫星将出现在哪里以及它们有多亮。”Rawls说，但是为了规划观测以避开快速移动的卫星，需要投入大量的时间和精力。
天文学家还可以部署软件来过滤掉从卫星反射的光线。Rawls说，一些天文台甚至开始建造二级全天望远镜，以跟随并拍摄主望远镜指向的同一天空区域的低质量图像。“然后他们可以回溯并确认需要丢弃的数据。”她说道，并指出了数据处理的时间密集性以及在不损坏观测结果的情况下不浪费时间的重要性，“但这是一笔巨大的额外开支。”
另一个昂贵但并非万无一失的解决方法是用新型互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器替换大多数望远镜中使用的慢速电荷耦合器件（CCD）传感器，这种新型探测器可以以比原来快几个数量级的速度来获取图像，从而减少了过境卫星破坏数据的可能性[10]。Rawls说，这种更换可能适用于小型望远镜，但不适用于像维拉·鲁宾天文台那样的大型望远镜。大型望远镜通常依赖汽车大小的巨型CCD传感器，因此很难更换。
无论如何，尽管天文学家发现业界在某种程度上愿意一同寻求使卫星变暗的方法，但他们也试图说服监管机构，让制造商为其星座的负面后果承担责任。到目前为止，结果喜忧参半。
SpaceX公司已经测试了几种方法来使其卫星的反射性降低。一颗被涂成黑色的名为DarkSat的Starlink原型卫星在2020年飞入轨道，但它因为过热而无法正常工作了[11]，因为黑色卫星会吸收更多的热量。“摧毁卫星的最有效方式之一就是让它吸收过多的热量。” McKnight说。
SpaceX公司还尝试在其卫星上安装遮阳罩，防止阳光反射到卫星的白色天线上，但这个想法很快就被放弃了，因为遮阳罩非但对减少卫星的亮度几乎没有作用，还阻挡了卫星的激光通信链路[11‒12]。SpaceX公司还尝试旋转其卫星，以便在黄昏进行许多天文观测时，卫星上最具反射性的太阳能电池板能指向远离地球的方向[13]。为了弥补由此造成的太阳能损失，该公司花费了额外的成本为其卫星配备了更大的太阳能电池板。初步数据表明，这种干预措施可能正在发挥作用[10,14]。
2022年，美国国家科学基金会（NSF）宣布与SpaceX公司正式达成协议，将Starlink的轨道高度保持在700 km或更低[15]。此后，FCC要求包括亚马逊公司在内的其他卫星提供商与NSF协调类似保护措施[16]。“这是一个有些违反直觉的要求，因为你会认为卫星越靠近地表会越亮；没错，你是对的。”Rawls说，“不过在较低的高度，卫星的轨道速度更快，因此它会更快地移开，不会在任何给定的像素中停留太久。”Rawls还指出，将卫星放在较低的轨道意味着公司需要发射更多的卫星以获得全球覆盖，因为每个卫星对地球的覆盖范围都减少了。“有很多有趣的权衡。”她说。
较低轨道上的卫星越多，发生碰撞的可能性就越大。“我并不特别担心公司内部的太空交通管理挑战。”总部位于美国华盛顿特区的外太空和平利用智库安全世界基金会的法律和太空法主管Chris Johnson说，“真正的挑战将是当来自不同运营商的卫星都在同一轨道上运行时。”
2021年，俄罗斯用导弹击中并摧毁了一颗轨道高度为470 km的废弃的苏联时代卫星[17]，Starlink的交通管理系统因此受到了考验。爆炸产生了至少1500块大到可以从地面追踪的碎片。“这一事件给Starlink带来了很大的压力，因为它们在碎片周围机动了九个多月。”McKnight说，“不过它们最终毫发无损地挺了过来。”
将卫星置于较低轨道的另一个权衡是，与在更高轨道运行的卫星相比，重力会使在更低轨道运行的卫星更快地坠回地球，这意味着它们的寿命更短。正在建造的新一代卫星采用了“设计至毁灭”（design-to-demise）的方法建造，使其能够在大气层中燃烧殆尽。“故意将卫星燃烧殆尽而不是让其坠落到地面伤及他人，这被认为是一种良好的太空可持续性实践。”Boley说。然而，除了运营商更换成本增加外，较低轨道还意味着卫星在再入大气层时燃烧产生的光学耀斑会更加频繁，这也会破坏天文观测。
即将报废的卫星还制造了另一个问题：当它们在上层大气中解体时，会留下一连串的污染物[18]。例如，铌和铪不会在大气中自然存在，却被用于卫星和火箭助推器中。这些金属，连同铝、锂和航天器中使用的其他特殊元素，已被发现嵌入在平流层中大约10%的最常见气溶胶颗粒中[19]。向大气中排放这些金属的后果尚不清楚。Rawls说：“这基本上是在对大气进行实时实验。与此同时，我们把大气当成一个无限的垃圾场。”
除了即将报废的卫星之外，将卫星送入轨道的火箭所排放的废气也会对大气造成污染。虽然与航空业产生的污染物相比，火箭排放的污染物数量要少很多，但火箭产生的废气在更高的高度释放，因此对大气更为有害。近期，据研究人员报道，与更靠近地球表面飞行的飞机所排放的烟尘相比，火箭在高海拔排放的废气烟造成全球变暖的潜力几乎是前者的500倍[20]。他们确认，火箭发射频率增加十倍可能会导致平流层部分地区的温度上升高达2 ℃ [21]。他们还推测，这种幅度的温度上升可能会破坏北美洲、欧洲和亚洲大部分地区的臭氧层，从而大大增加地面暴露于有害紫外线辐射的风险[21]。
但是，寻找控制与卫星有关的污染的方法并不容易。全球几乎所有与航天工业有关的法规都围绕发射安全，很少涉及其他方面。这让航天工业相关的大气污染等问题无法得到解决[19]。这样就很难迫使业内对与其卫星相关的潜在负面后果承担责任。
例如，美国没有保护太空环境的明文法律。目前，人们仍在议论：《国家环境政策法案》（National Environmental Policy Act, NEPA）是否能够以及是否应当适用于联邦政府许可的私人商业卫星发射和运营[22]。如果NEPA适用，那么FC等联邦机构将需要为大型星座的许可出具环境影响声明。例如，可能会强制要求在卫星建造中使用毒性更小的材料。
最后，一些人想知道监管机构是否应该先考虑：这些星座都是必要的吗？“我希望只用几颗地球同步卫星满足我们所有的电信需求，有一些延迟也没问题。”Rawls说，“但这不是我们目前的情况。”Boley说，天文学家并不反对卫星。“我们反对的是卫星的无节制增加——监管机构之间确实需要更好地进行协调，以应对全球范围的影响。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Chang K. Amazon launches first Project Kuiper satellites to orbit [Internet]. New York City: The New York Times; 2023 Oct 6 [cited 2024 Feb 1]. Available from:

[2]

Lavender A. How many satellites are orbiting the Earth in 2023? [Internet]. Plymouth: Pixalytics Ltd.; 2023 Jul 5 [cited 2024 Feb 1]. Available from:
[3]

Day M. Inside Amazon’s effort to challenge Musk’s Starlink internet business [Internet]. Seattle: The Seattle Times; 2023 Dec 24 [cited 2024 Feb 1]. Available from:

[4]

Cumulative number of Starlink satellites launched from 2019 to 2023, by launch [Internet]. New York City: Statista; 2023 Nov 17 [cited 2024 Feb 1]. Available from:

[5]

Falle A, Wright E, Boley A, Byers M. One million (paper) satellites. Science 2023;382(6667):150‒2. . 10.1126/science.adi4639
[6]

Wright E, Falle A. Over the past six years, governments proposed launching over one million satellites, but where will they all go? [Internet]. Melbourne: The Conversation; 2023 Nov 7 [cited 2024 Feb 14]. Available from:

[7]

Leslie M. Internet satellite boom presents astronomical problems. Engineering 2020;6(8):849‒50. . 10.1016/j.eng.2020.06.008
[8]

Jiang L, Wang S, Zhang B, Kashikawa N, Ho LC, Cai Z, et al. A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift z ≈11. Nat Astron 2021;5(3):262‒7. . 10.1038/s41550-020-01266-z
[9]

Michałowski MJ, Kamiński K, Kamińska MK, Wnuk E. GN-z11-flash from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11. Nat Astron 2021;5(10):995‒7. . 10.1038/s41550-021-01472-3
[10]

Chiou L. Swarms of satellites put powerful telescopes in peril. The New York Times 2024 Jan 9;Sect D:1.
[11]

Crane L. SpaceX’s efforts to make satellites less bright aren’t working well [Internet]. London: New Scientist; 2023 Apr 22 [cited 2024 Feb 1]. Available from: 10.1016/s0262-4079(22)00509-7
[12]

Palmer C. NASA satellite sets blistering optical communication speed record. Engineering 2024;34:9‒11. . 10.1016/j.eng.2024.02.004
[13]

Astronomy discussion with National Academy of Sciences [Internet]. Hawthorne: SpaceX; 2020 Apr 28 [cited 2024 Feb 1]. Available from: 10.3847/2041-8213/ab8016
[14]

Mallama A, Cole RE, Harrington S, Hornig A, Respler J, Worley A, et al. Starlink Generation 2 Mini satellites: photometric characterization. 2023. arXiv:
[15]

NSF statement on NSF and SpaceX Astronomy Coordination Agreement [Internet]. Alexandria: National Science Foundation; 2023 Jan 10 [cited 2024 Feb 1]. Available from:

[16]

Devarakonda Y. The Satellite and Telecommunications Streamlining Act: a postmortem analysis [Internet]. Washington, DC: American Astronomical Society; 2023 Aug 22 [cited 2024 Feb 1]. Available from:

[17]

Palmer C. Russian anti-satellite test spotlights space debris danger. Engineering 2022;12:3‒5. . 10.1016/j.eng.2022.03.005
[18]

Murphy DM, Abou-Ghanem M, Cziczo DJ, Froyd KD, Jacquot J, Lawler MJ, et al. Metals from spacecraft reentry in stratospheric aerosol particles. Proc Natl Acad Sci USA 2023;120(43):e2313374120. . 10.1073/pnas.2313374120
[19]

Hall S. Filling up a new frontier. The New York Times 2024 Jan 9;Sect D:1.
[20]

Ryan RG, Marais EA, Balhatchet CJ, Eastham SD. Impact of rocket launch and space debris air pollutant emissions on stratospheric ozone and global climate. Earth’s. Future 2022;10(6):e2021EF002612. . 10.1029/2021ef002612
[21]

Maloney CM, Portmann RW, Ross MN, Rosenlof KH. The climate and ozone impacts of black carbon emissions from global rocket launches. JGR Atmos 2022;127(12):e2021JD036373. . 10.1029/2021jd036373
[22]

Ryan RJ. The fault in our stars: challenging the FCC’s treatment of commercial satellites as categorically excluded from review under the National Environmental Policy Act. Vand J Ent Tech L 2019;22:923.

AI Summary AI Mindmap
PDF (1304KB)

8640

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉