去年，肯尼亚马瓜尼县一枚重达近 500 公斤的金属环从空中落下。图片来源：Anadolu/Getty

去年 12 月 30 日下午 3 点，肯尼亚马库埃尼县穆库库村的居民被一声巨响惊醒。田野中央有一枚神秘的、冒烟的金属环，直径 2.5 米，重近 500 公斤。2023 年 5 月，在乌干达西部的其他地方，村民报告说，他们看到天空中出现火光，随后碎片如雨点般落下，残骸散落在 40 公里宽的区域。

这些不是普通的陨石——它们是废弃卫星和废火箭级的残余物，毫无征兆地返回地球。

征服地球太空垃圾问题的探索

这些事件并非孤例。从德克萨斯州到沙特阿拉伯，从开普敦到亚马逊雨林，世界各地发射到低地球轨道 (LEO) 的物体现在都正在落回地球。有些物体在大气层中燃烧殆尽，但有些物体——尤其是那些由钛和耐热太空合金制成的物体——在重返大气层后幸存下来，并坠落地面，有时坠落在人口稠密的地区。

问题越来越严重。随着商业航天的快速扩张，每年都有数千颗卫星被发射。然而，很少有卫星拥有者计划以可控的方式将它们从轨道上移除。

无论身处何地，地球表面、飞机上还是太空中的每个人，都越来越面临这些抛射物的威胁1。

航天国家和公司必须紧急应对这一威胁。太空垃圾不受控制地重返大气层不仅仅是一种麻烦，它还是一个法律、环境和潜在的灾难性问题。如果没有新的政策和缓解策略，这些事件导致生命损失只是时间问题。

上述问题日益严重

低地球轨道是距离地球表面 160 公里至 2,000 公里的太空区域，也是最拥挤的轨道区。它是成像卫星、气象和通信星座以及国际空间站(ISS) 等空间站的所在地。

这也是太空中垃圾最多的区域，其中有超过 6,000 吨的人造物体。世界经济论坛预测，到 2030 年，将有超过 60,000 颗卫星被发射，其中大多数注定会成为垃圾2 , 3。

全球太空交通管理的四个步骤

大多数卫星重返大气层都是不受控制的。一些航天机构故意将报废卫星送入海洋。然而，许多运营商只是让它们自然衰变，不确定它们会落在哪里。地球上的任何地方都可能成为危险地点。

当低地球轨道上的物体受到大气阻力时，它们会逐渐减速并盘旋返回地球。较小的碎片在重返大气层时会燃烧殆尽，但较大的碎片（火箭级、燃料箱和卫星部件）通常会幸存下来，以每秒数百公里的速度撞击地球。它们撞击释放的能量相当于一枚小型导弹4。重返大气层的速度越高，碎片散布的范围就越远。

预测坠毁地点极其困难。当物体从太空坠落时，它坠向地球的路径并不是一条直线，甚至不是平滑的。预测它的着陆位置需要进行复杂的计算，并考虑许多因素，包括地球自转、重力、风以及物体的初始速度和高度5。数学模型（例如 NASA 的物体再入生存分析工具和简化的一般扰动模型）可用于估计衰减轨道碎片的轨迹。

2014 年 4 月，在巴西萨利诺波利斯发现了一大块宇宙飞船残骸。图片来源：Tasso Sarraf/AFP/Getty

历史一再表明，危机往往被忽视，直到它们升级为灾难。太空垃圾也不例外，不紧急处理可能会带来灾难性的后果。想象一下，一颗重达数吨的大型卫星毫无预警地重新进入地球大气层。与 2001 年和平号空间站的受控下降不同，这个物体很可能会偏离轨道并撞向一座城市。破坏将是灾难性的，带来法律、政治和金融混乱。

风险不仅限于地面撞击。一个主要但很少被讨论的担忧是坠落的碎片可能与商用飞机相撞。在任何时候，全球都有超过 10,000 架飞机在空中飞行。密集、高速的物体在繁忙的空中走廊中不受控制地下降可能会导致空中灾难。目前，没有全球协议来警告飞行员或航空公司即将来临的太空碎片。2022 年，美国领空因不受控制的火箭体重返大气层而短暂关闭。尽管这种关闭很少见，但全球太空活动的增加使类似事件更有可能发生，这凸显了对碎片减缓和受控重返大气层制定更严格规定的需求，以防止未来的中断和安全隐患。

连锁碰撞威胁

除了直接威胁坠落的碎片之外，还有一种名为“凯斯勒综合征2”的隐患。该现象由美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒于 1978 年提出，预测低地球轨道物体的密度将达到一定程度，以至于它们之间的碰撞会产生更多的碎片，从而引发一系列进一步的碰撞。

这种自我延续的循环可能会导致某些轨道区域无法使用，对卫星、太空任务和国际空间站构成风险。截至 2021 年，轨道上有超过 4,000 颗活跃卫星，估计有 600,000 块大小从 1 到 10 厘米不等的太空垃圾6。平均每年有一颗卫星因与另一颗卫星或碎片相撞而毁坏。

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越来越多的太空垃圾不再是遥远或假设的威胁，而是迫在眉睫的危险。欧洲航天局 (ESA) 估计，截至今年 2 月，地球轨道上目前有超过 36,000 个大于 10 厘米的物体被追踪，而地球轨道上有超过一百万个 1 厘米至 10 厘米之间的物体。即使是微小的碎片（许多碎片太小，无法被当前的跟踪系统检测到）也会因其飞行速度而造成巨大破坏。国际空间站依靠防弹板进行保护，但仅靠防护是不够的。空间站的工作人员必须保持警惕；太空行走的宇航员尤其容易受到伤害。

不断升级的形势凸显了太空交通管理和防撞战略的迫切需要，以确保太空探索和利用的长期可行性。随着轨道拥堵情况的恶化，对强有力的跟踪、问责和缓解战略的需求变得不可否认。

此外，轨道碎片反射的阳光和燃烧会造成光污染，越来越干扰地面科学观测站对夜空的观测。例如，SpaceX卫星星座发出的明亮轨迹虽然不属于活动碎片，但当它们在夜空中移动时很难被忽视。今年1月，天文学家误将SpaceX于2018年发射的特斯拉Roadster电动跑车当作可能威胁地球的小行星。投入全球资源来追踪这样的物体是一种浪费。

法律黑洞

尽管太空垃圾坠毁事件日益频繁，但国际法仍然严重过时。1967 年《外层空间条约》规定发射国应对其太空活动造成的损害负责，1972 年《责任公约》允许受影响国家寻求赔偿7。然而，这些条约是在现代卫星热潮之前制定的，存在漏洞。

如今，联合国已承认 195 个国家，但只有 30 个国家开展载人航天计划，由全球 77 个航天机构管理。其中只有 20 个机构成功将物体送入轨道。世界上绝大多数人口都面临太空垃圾的威胁，但他们并未造成太空垃圾问题。

2001 年 1 月，一个 70 公斤的有效载荷辅助舱降落在沙特阿拉伯。图片来源：NASA 轨道碎片计划办公室

当碎片落入国际水域或偏远地区时，没有明确的法律程序来认定责任。在此类事件中遭受损害的非航天国家索赔的渠道有限。军用和机密卫星使归责变得复杂，因为一些国家拒绝承认坠落碎片的所有权，这使得确定责任变得困难。

追踪碎片的努力仍然支离破碎。包括美国太空监视网络、欧空局和位于加利福尼亚州门洛帕克的 LeoLabs 等私营公司在内的组织使用雷达和光学望远镜监测轨道上的物体。然而，这些组织只能追踪大于几厘米的碎片，留下数百万个较小的碎片下落不明。没有普遍授权的数据共享框架，导致全球态势感知存在差距。

整体方法

解决太空垃圾危机需要采取综合措施，将追踪、问责、清除垃圾和可持续性融为一体。航天国家、私营企业和国际监管机构必须共同努力，执行严格的政策，投资创新解决方案，并促进共同责任。

我们需要建立一个全面、公开的碎片追踪数据库，并通过国际合作确保各方提供实时数据。先进的人工智能驱动分析可以改进预测，提高避免碰撞和重返大气层的预测。

利用大量微型卫星探索太空

问责制必须成为太空治理的基石。需要制定更明确的国际法规和强有力的框架来处理与太空垃圾有关的损害。私营运营商必须对其产生的垃圾负责。

在所有太空技术中嵌入唯一标识符（例如包含极小文本或图像的微点）的强制性系统，无论大小（从主要卫星部件到外部面板），都将确保碎片来源可追溯。这种方法已在汽车行业成功实施，用于防盗。此类标准的执行可由国际监管机构执行，例如联合国外层空间事务办公室，该办公室已为太空活动的长期可持续性制定了指导方针。

然而，仅靠减缓并不是一个可行的长期战略。主动的太空垃圾清除技术可能会催生出利润丰厚的企业。机械臂、渔网、鱼叉和基于激光的轨道调整等创新解决方案为捕获和脱离轨道的大型碎片提供了有希望的方法。能够帮助回收已到使用寿命的物体的技术应该成为所有新卫星的标准。能够实现受控再入的推进系统、可生物降解的卫星材料和自脱离轨道机制将减少长寿命碎片的积累。

还必须明确规定评估人造太空物体对环境的影响，以避免将污染负担从太空转移到地球。卫星的设计应采用在重返大气层时完全分解的材料，防止碎片在燃烧后幸存下来并到达地球表面。目标不仅应是清理太空，而且还应以不会造成进一步生态后果的方式进行。

如果不采取果断行动，地球轨道环境将变得十分危险，未来的探索和商业活动将受到严重限制。只有通过全球协调一致的努力，我们才能确保太空对子孙后代来说仍然是一个安全且可行的领域。

自然 639 , 571-573 (2025)