科學人雜誌 4月號/2021 第230期:未來空污 火箭廢氣(中文雜誌)

書名 科學人雜誌 4月號/2021 第230期:未來空污 火箭廢氣(中文雜誌)
出版社 遠流出版事業股份有限公司科學人雜誌社
出版日期 2021-04-01
定價 280
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分類 中文雜誌>科學科技>應用科學

商品簡介

未來空污:火箭廢氣

近年火箭頻繁發射,燃燒噴出的排放物積聚在平流層、破壞臭氧; 新興的太空產業應該向航空產業老大哥學習永續之道。

撰文/羅斯(Martin N. Ross)、大衛(Leonard David)
翻譯/甘錫安

太空產業現在的發展與創新步調,即使是登月計畫也不可相提並論。50年前,太空任務經費幾乎完全來自政府,但到了21世紀,火箭和衛星的任務經費大多來自企業,或由政府與民間合作出資。

全球太空產業與政府脫鉤之後,成長和營運方式越來越接近全球航空產業:設備可重複使用、飛航定期化、太空船和發射載具量產化。分析專家預測,太空產業對全球國內生產毛額(GDP)的貢獻將於2040年跨過1%的門檻。因此可以預期,太空和航空產業未來的經濟影響力將不相上下。

二次大戰以來,航空產業在飛機結構和推進系統方面的發展集中在噴射引擎方面,其中有許多出自永續的考量。現代噴射引擎排出的煙灰和污染氣體,比50年前更少。減少噴射引擎廢氣的環保壓力促使航空業不斷提升渦輪燃燒效率,接近理論上的最大值,有助於降低燃料消耗量,航空產業因而受惠;這對公司獲利和地球環境兩方面都是優點。 廢氣大麻煩 永續性一向不是太空載具發展的主要考量。火箭引擎和噴射引擎一樣,都會把許多氣體和微粒排入大氣,造成地區性甚至全球性的影響。儘管如此,火箭引擎產生的環境污染通常不受關注,原因在於噴射引擎和火箭引擎燃料消耗量的比較方式過於簡單。

廢氣大麻煩

永續性一向不是太空載具發展的主要考量。火箭引擎和噴射引擎一樣,都會把許多氣體和微粒排入大氣,造成地區性甚至全球性的影響。儘管如此,火箭引擎產生的環境污染通常不受關注,原因在於噴射引擎和火箭引擎燃料消耗量的比較方式過於簡單。

論證通常是:火箭每年消耗的燃料只有飛機的0.1%,所以廢氣問題只有航空業的0.1%。但這種比較方式是虛假對等。深入了解太空航行的每個階段,就可得知太空產業製造的廢氣對大氣的影響與航空產業完全不同,遍及各層大氣,某些方面甚至更加嚴重。噴射引擎廢氣進入對流層後,很快就會經由降水落到地面;火箭引擎廢氣進入平流層後只能慢慢消散。廢氣在平流層逐年積聚,再加上最近四、五年來火箭頻繁發射和太空殘骸墜回地球所產生的廢氣。事實上,脆弱的臭氧層就位於平流層,相當接近火箭引擎廢氣積聚的區域。

太空旅行一向讓人既興奮又期待。高效能小型衛星、低軌道(LEO)衛星群、新火箭推進劑和月球資源開採等太空產業進展,帶動了21世紀的「新太空」成長。人類長久以來試圖把太空旅行變得像空中交通同樣普及,太空科技的進展可望實現這樣的雄心壯志,但這些新科技是否具備永續性?

火箭引擎廢氣和噴射引擎廢氣一樣,成份大多是二氧化碳和水蒸氣,現在已經相當清楚這兩類氣體對全球的效應。二氧化碳是「長效性」溫室氣體,將增加大氣的溫室氣體量;水蒸氣則是「短效性」溫室氣體。火箭引擎廢氣中的這兩類氣體,在航空產業中只佔了1%。另外某些少量排放物雖然目前造成的影響很小,但需要進一步研究。
固態火箭發動機(SRM)使用的氧化劑,是含有氯的過氯酸銨,氯對平流層的臭氧是最嚴重的威脅。20年前,美國航太總署(NASA)飛機進行的直接羽流採樣顯示,SRM產生的羽流導致明顯的臭氧層「小洞」,在火箭發射後持續數天之久。不過,含氯的羽流和全球平流層混合後,這些小洞就會消失。而且和惡名昭彰的氟氯碳化合物釋出的氯相比,SRM使用的過氯酸銨每年的釋出量不算多,影響時間也不長。換句話說,SRM氧化劑釋出的氯對臭氧層並不構成嚴重威脅。

科學家已經相當了解火箭排放的二氧化碳、水氣和氯對氣候與臭氧層的作用。相關研究指出,相較於其他污染源,這些影響算是輕微,而且常隱藏在全球大氣的雜訊中。即使火箭排氣量增加到10倍,影響仍舊相當小。不過火箭引擎廢氣中的某些物質可能產生明顯作用,也就是黑碳煙灰和氧化鋁微粒。

火箭的排氣羽流十分巨大。碳氫化合物燃料火箭引擎噴發的「火焰」,其實大部份是煙灰粒子在高熱羽流中氧化發出的白熾光。火箭引擎產生煙灰的過程相當複雜,不大容易了解。煙灰在充滿燃料的燃燒室、冷卻燃料的噴嘴壁和渦輪幫浦氣體產生器中形成,一部份在高熱羽流中燒毀。噴射引擎沒有這些複雜過程,相對乾淨。某幾種碳氫化合物燃料火箭引擎,燃燒每公斤燃料排放的煙灰比噴射引擎多出數百倍。噴射引擎偶爾才會飛到平流層,火箭則每次升空一定都會進入平流層。

煙灰對平流層有什麼影響?黑碳煙灰吸收日光的效果非常強。煙灰吸收的能量會轉移到周遭的空氣,黑碳煙灰成為了熱源,使平流層暖化,進而慢慢改變全球大氣循環。臭氧濃度和氣溫成反比,當平流層氣溫提高,臭氧層隨之變得稀薄。這些火箭排放的黑碳煙灰是否足以對大氣造成明顯效應?現在還不清楚,所需的氣候模型也正在建構中。

SRM產生的羽流比碳氫化合物燃料的更加巨大。SRM噴發的火焰,是來自噴嘴噴出的高熱氧化鋁微滴。SRM產生的羽流和排放物氯氣一樣會擴散,最後進入全球大氣,因此無論赤道或兩極,各處隨機取得的平流層空氣樣本都含有氧化鋁微粒。1990年代研究人員發現,破壞臭氧層的化學反應是如何在SRM噴出的氧化鋁微粒表面發生,但氧化鋁在破壞臭氧層中發揮的作用則尚不清楚。

SRM當然也會排放破壞臭氧層的氯氣,因此關於SRM這兩種排放物破壞臭氧層的程度,科學家所知甚少。2018年世界氣象組織發表的〈臭氧破壞科學評估〉顯示,我們對臭氧層的了解不多,同時指出進一步研究已經「獲得批准」。
太空梭的SRM曾經是史上最大的固態火箭,而且大眾以為太空梭除役後,就再也不使用大型固態火箭。事實上,世界各地越來越多機構都在使用SRM。今年11月NASA的太空發射系統(Space Launch System)首次發射升空,此新一代大載重火箭約3.7公尺的SRM將成為史上最大的。但中國預計於2025年發射的火箭,配備了約4公尺的SRM。對平流層臭氧而言,SRM造成的破壞將越來越嚴重。
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章節目錄

【關於封面】近年全球太空產業漸趨成熟,「上太空」即將不再是太空人的專利。然而,當火箭接連發射,也代表了大量廢氣排放於大氣層。我們必須及早保護環境,絕不可「載人上太空,污染留地球」。物理學32 宇宙常數無定論文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)這個常數源自於愛因斯坦的數學手段,因為宇宙膨脹而剔除,然後又再度引入。如今物理學家困惑的是:宇宙常數為什麼這麼小?特別報導38 台灣火箭產業高飛文/魏世昕、吳宗信走一條不同的路,台灣火箭科學家自行研發混合式推進系統,以製造衛星載具火箭為目標,期許高度跨領域整合人才,並開創新產業。太空科學42 未來空污:火箭廢氣文/羅斯(Martin N. Ross)、大衛(Leonard David)近年火箭頻繁發射,燃燒噴出的排放物積聚在平流層、破壞臭氧;新興的太空產業應該向航空產業老大哥學習永續之道。生命科學46 微觀珊瑚共生文/陳?祥、陳泓愷一般認為,珊瑚嚴重白化歸咎海水溫度升高。近年研究則顯示,除了這個巨觀因素,以微觀角度探究珊瑚與共生藻的內共生機制,是了解並挽救珊瑚生存的另一重要課題。生理學52 體育界的睪固酮迷思文/哈金斯(Grace Huckins)體育界以激素濃度限制女性運動員的參賽資格,然而性別從來不是簡單的二分法。動物行為58 生吃活蟑螂文/卡坦尼亞(Kenneth C. Catania)扁頭泥蜂的寄生過程宛如「異形」電影,生物學家構思實驗,拆解其中步驟。環境科學66 成功減碳 生質不可少文/湯斯邁爾(Eric Toensmeier)、蓋瑞帝(Dennis Garrity)減少二氧化碳排放的策略取決於生產更多樹木、草類和作物,但所需的耕地已超越地球負荷。減少生質需求並廣泛採用農林間作,才有機會延緩全球暖化。考古學74 現代馬雅人的命運文/佐利希(Zach Zorich)拉坎登馬雅人逃離西班牙人的統治,在叢林生存了數百年,考古證據發現,他們的生活與古代馬雅文化截然不同。保育84 鳥類繫放100年文/黃凱特(Kate Wong)北美洲系統性進行鳥類繫放已100 年。豐富的繫放資料讓人們一窺鳥類的神秘生活,也有助於保護瀕危鳥類與重要棲地。科學人觀點6 弗林效應:尼安德塔人的哀歌 文/曾志朗 總編輯的話8 失序的自然,失格的人類 文/李家維 10 讀者論壇 12 科學人新聞歡迎章魚加入模式生物鯨類仿聲爭食海底巨石登陸偵測蟲卵演算法第一位即將登月的女性太空雷射通訊一覽世界科技進展無軌電車在美國上路?掠食性藻類 形上集24 譚嗣同、仁學、以 文/高涌泉 教科書之外26 不勝酒力的病毒 文/陳文盛 網上世代28 數位保存大不易 文/莊庭瑞 談心說理30 用棉花糖看未來成就? 文/曾祥非 專家看新聞92 美國需要科學外交 文/佩爾森(Nick Pyenson)、德根(Alex Dehgan)  科學佐以詩文94 物質的狀態 文/雷希(Anna Leahy)健康與科學96 七招排除疫苗猶豫 文/華立斯(Claudia Wallis) 科學焦點98 專家也會出錯 文/歐瑞斯克斯(Naomi Oreskes) 預見新科學100 422世界地球日的再省思 文/湯琇婷 科學人書摘102 智慧決策有賴多模型 文/摘自《多模型思維》 圖表會說話106 日照變化時快時慢 文/菲謝蒂(Mark Fischetti)
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