悠遊字在專欄
2019年06月20日

悠遊字在 第90篇 「滿天星辰」

 夏日已接近尾聲,在此向大家問候。

今年夏天(*譯注),我們的地球是否哪裡出了問題呢?
儘管如此,在強烈的日照下,草木依然綠意盎然,蟬鳴聲也依舊喧囂震耳。

*譯注:
本篇文章撰寫於2018年,因此這裡的今年皆指2018年的情況。2018年夏天日本受熱浪侵襲,全國各地皆出現逾30度以上的連日高溫,且陸續出現突破35度的高溫紀錄。

在這樣的夏季時分,令人不禁想置身滿天星斗下,欣賞彷彿伸手可摘的星辰,恣意想像遼闊宇宙的盡頭,將白晝逼人的暑氣徹底遺忘。

儘管我們仰望夜空也無法得見,但滿天星辰中其實存在著一顆顆人造衛星,正默默繞行地球。這些泛稱「人造衛星」的東西,根據其用途有各種不同類型,有軍事衛星、通訊衛星、科學衛星(宇宙望遠鏡)、地球觀測衛星(氣象衛星、海洋觀測衛星)、航行衛星(GPS衛星)……等。這些衛星在天空支援著我們的日常生活。

伴隨著人造衛星發射到外太空的過程,會產生無法成為星辰的太空垃圾。即使太空垃圾的數量已經增長到無可忽視的地步,但卻始終未受人們關切。太空垃圾(Space Junk)在學者專家之間稱為「太空碎片(Space Debris)」。隨著宇宙開發的進展,其數量逐年增長,目前已達急須採取因應對策的地步了。

太空碎片的具體定義為,在地球衛星軌道上繞行,卻不曾進行任何有意義行動的人造物體。無論是超過使用年限而停止運作的人造衛星、發生意外或故障而無法操控的人造衛星,還是發射衛星時使用的火箭機體及零件、多段式火箭在解體時產生的機體碎片、太空垃圾互相撞擊所產生的小碎片等,都屬於太空碎片的一種。比較特別的還有太空人在執行任務時不慎掉落的手套、工具、零件,這些也包含在太空碎片的定義內。另外,由天然岩石、礦物、金屬等構成的太空塵粒(細小的隕石)則稱為流星體,不屬於太空碎片。

世界第一座人造衛星是1957年舊蘇聯發射的史普尼克1號。其後歷經六十年歲月,世界各國陸續實施了超過四千次的發射任務,連帶產生了多達數倍的太空碎片。雖然其中大部分都在落入大氣層後燃燒殆盡,但目前依然有超過4,500噸的太空碎片殘留在地球軌道上。

太空碎片的數量逐年增加,且散布在各自不同的軌道上繞行,因此回收與管制成為一大難題。如果碎片不慎撞上正在活動的人造衛星、載人飛船或國際太空站,可能導致設備損毀、危害到太空人生命安全等危險,因而成為一項國際問題。

2017年4月,德國達姆城召開關於太空碎片的會議,向各國報告太空碎片在近二十五年期間已增長至兩倍。

太空碎片在距離地表300~450公里高的近地軌道上以每秒7~8公里、36,000公里高的地球靜止軌道上以每秒3公里的高速移動著。換言之,它們以每小時28,800~10,800公里的速度繞行地球。動能和速度平方成正比,因此太空碎片的破壞力不容小覷。僅僅一顆直徑10公分大小的碎片,如果撞上載人飛船或人造衛星,就可能將之完全摧毀。即便只是5~10公釐的碎片,其衝擊力度亦相當於一顆發射的子彈。

1993年,以地面雷達觀測地球軌道,確認10公分以上的太空碎片已經有約8,000個,而到了2017年,其數量更已增長至20,000個。歐洲太空總署的預測模型也顯示,直徑1公尺以上的太空垃圾有5,000個,約1公分大小、相當於「飛行子彈」的碎片超過75萬個,而大於1公釐的碎片則多達1億5,000萬個。

目前已發生過多起異常接近(near miss)或微小碎片碰撞的事件。1996年,奮進號太空梭執行宇宙任務時,由日籍太空人若田光一先生回收的日本太空實驗站上,包含細微傷痕在內,共發現了將近500處碰撞痕跡。

針對地球周圍的太空碎片進行觀測的行為稱為「太空護衛」。目前存在的太空護衛機構包括北美空防司令部的太空監測網及俄羅斯太空監測系統,將10公分以上體積較大的碎片登記在名錄上,隨時進行監測。

在日本,執行監測任務的有美星太空護衛中心和上齋原太空護衛中心兩個單位。其名錄上登記的太空碎片高達9,000個。若包含1公釐以下的細微碎片,數量將增加到數百萬至數千萬個。

太空碎片互相碰撞,導致碎片數量更加擴散的主要原因,一般認為有以下兩點:
一是2007年1月,中國以反衛星飛彈試驗摧毀已經老舊不堪使用的氣象衛星「風雲」;二是2009年2月俄羅斯軍用衛星「Cosmos 2251」與美國Iridium Satellite公司通訊衛星的對撞事件。

1963年,為了在太空中以人為方式製造電離層,美國麻省理工學院林肯實驗室曾進行一項名為「西福特計劃(Project WestFord)」的實驗。他們將長2公分的銅製針狀物散布在高度3,500~3,800公里之間、傾斜角度87~96度的軌道範圍內,希望藉由針狀物反射電波,實現遠程通訊。

儘管初期目的已達成,但由於散布在太空中的針狀物多達4億8,000萬根,而遭到世界各國的抨擊。一直到2017年10月,依然殘存在軌道上繞行並持續受到追蹤的仍有42根。

人造衛星或多段式火箭的最後一級在軌道上爆炸稱為「Break Up」。1961年到2000年之間共發生了163起「Break Up」。一旦發生爆炸,就會產生數百到數千個太空碎片,而這個數量只包含可觀測到的大小。這些太空碎片會沿著爆炸前的軌道,形成碎片雲(Debris Cloud),隨著時間逐漸擴散。

為了因應爆炸帶來的問題,當發現有登記在名錄上、已知軌道路線、直徑10公分以上的太空碎片可能與人造衛星或太空船異常接近時,就可以透過修正軌道的方式來避免意外。面對1公分以下的碎片,只要在太空船上加裝緩衝裝置,也能減輕受撞擊時的衝擊力度。而體積落在中間值的碎片則相當棘手,目前尚未有明確的解決方案。

為了減少太空碎片的數量,必須採取相關因應措施,例如:讓使用完畢的火箭或人造衛星進入不會與其他衛星相撞的軌道、讓它落回大氣層,或是設法回收太空碎片。部份對策目前已開始實行,針對小型碎片的回收手段,有多項方案被提出,其中包括「用雷射燒毀」。儘管如此,現階段仍未有能落實的對策。

2015年4月,由日本理化學研究所、巴黎綜合理工學院、巴黎第七大學、義大利都靈大學、美國加州大學爾灣分校成員組成共同研究團隊,發表了針對「使用高能雷射消滅太空碎片」的技術考察。

日本JAXA(*1) 也正在研究新的解決方案,計畫將導電性天鉤(Tether)連接太空碎片,利用天鉤產生的勞侖茲力(Lorentz force,*譯注)減緩碎片的速度,使之落入大氣層。

2016年12月發射的太空船「Kounotori 6」上即搭載了天鉤系統,原本計畫在國際太空站的補給任務結束後進行太空碎片清除的實證實驗,但因為裝置發生問題,最後未能實施。

*譯注
勞侖茲力:指運動於電磁場的帶電粒子所感受到的作用力。

2013年,一間以清除太空碎片為目的的初創公司「ASTROSCALE PTE. LTD.」(*2)成立。總公司設立於新加坡,公司代表為日本人岡田光信先生。在日本也設有活動據點「Astroscale Japan Inc.」,由伊藤美樹小姐擔任董事總經理。

處理太空垃圾的基本策略和地面上的垃圾問題相同,最好的對策應該還是盡量不要製造垃圾。

最後為各位介紹一個網站「Stuff in Space」,可以看到太空碎片環繞地球的真實樣貌。
進入Stuff in Space官網(http://stuffin.space/)會看到一顆地球浮在黑色背景前。畫面左上顯示「〇 _______ Groups」的欄位,將滑鼠游標移到「Groups」上,就會出現太空碎片的列表。點選列表上的項目,就會出現該項目的太空碎片軌跡。其中也包含了美國麻省理工學院西福特計劃的42個太空碎片。

希望各位務必造訪「Stuff in Space」網站,親眼確認目前太空垃圾的分布情況。

*1:JAXA
Japan Aerospace Exploration Agency/宇宙航空研究開發機構
http://www.jaxa.jp/

*2:ASTROSCALE PTE. LTD.
http://astroscale.com/

【參考資料】
1. JAXA官方網站
http://www.jaxa.jp/

2. NASA (National Aeronautics and Space Administration) 官方網站
https://www.nasa.gov/

3. 維基百科/條目「太空垃圾」

https://zh.wikipedia.org/

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 作者簡介

mk88
DynaComware Corp 顧問

1942年出生於東京都。
1966年畢業於桑澤設計研究所視覺設計學科。
曾任職於設備機器廠商、報社、廣告公司,並在綜合印刷公司參與了DTP黎明期的多國語處理及印刷工作流程的建構。
設計學校畢業後曾以平面設計師的身分經歷了活字、照相排版、DTP印刷工作。
1998年起任職於DynaComware Corp。
曾擔任網頁印刷服務、數位文件管理工具、電子書專用字型開發、字型授權業務、中文字碼規格GB18030日本國內普及諮詢窗口等職務。
Blog:mk88の独り言(mk88的自言自語)

 

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