什麼是太空垃圾的「凱斯勒現象」？

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

自從1957年第一顆人造衛星上天，人類已經進行過約五千次太空發射，發射到太空的人造衛星等航天器的數量應該約有近萬顆了，而正在為人類服務的大約有兩千顆，那麼那些不用了的衛星呢？

不用的衛星，除了降低高度燒毀的一些、飛向更遙遠太空的一些，其他還在天上飛著，比如我國發射的第一顆人造衛星「東方紅一號」，就還在天上飛著。另外，空間飛行的其他一些副產品，比如儀器從航天器內部向外探出，早期的方案都是用火藥把「窗口」炸開，諸如此類的活動也有一些太空懸浮物。再加上航天器剝落的碎片等等，可以說我們人類往天上扔了好多大大小小的「垃圾」。

太空垃圾（誇大的漫畫，實際密度遠沒有這麼大）

當然啦，宇宙很大的嘛！「太空垃圾」很「擁擠」嗎？

1978年，美國航空航天局（NASA）科學家唐納德·凱斯勒（Donald J. Kessler）發表了一篇名為「Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt」（「人造衛星的碰撞頻率：碎片帶的產生」）的論文，他認為在2000年，地球近地軌道的空間碎數量就會足夠的大，也就是說在空間中的密度足夠高，彼此之間不可避免的發生隨機碰撞，而這些隨機碰撞將會產生更多的碎片，繼續產生更多的碰撞。

每個衛星、太空探測器和載人飛行器都有可能產生空間碎片。隨著軌道衛星數量的增加，產生碎片的可能性自然也增大。剛才說了現在大約有兩千顆商業和政府的衛星繞地球飛行，相應的太空碎片估計有60萬枚，尺寸從1厘米到10厘米不等。如果放任不管，這些碎片平均每年能摧毀一顆人造衛星。

依據追蹤碎片位置的模型畫出的太空分布圖

載人航天器和無人航天器最常用的軌道是近地軌道（Low Earth Orbit，簡稱LEO軌道），這種軌道的高度足夠低，空氣阻力比較大，區域內比較「乾淨」。在這個高度範圍內太空垃圾發生碰撞的問題比較不嚴重，因為碰撞碎片的飛行方向以及較低的能量決定了新的碎片的軌道往往是近地點在更低高度的橢圓、甚至是與地球位置交叉，簡單的說就是會向空氣密度更大的低高度飛行，摩擦生熱燃燒殆盡或者墜落在地面。

但在海拔較高的高度，大氣阻力較小，因此太空垃圾的飛行速度減慢、軌道衰減的速度要慢得多（時間更久）。想要這些碎片消失，除了輕微的大氣阻力，月球引力引起的軌道攝動和太陽風的拖曳也可以讓碎片逐漸降到較低高度，但這種過程可能長達上千年。

較低高度軌道衛星等人造物的軌道逐漸因大氣作用降低

凱斯勒在當時認為我們對它們產生的碎片還不夠重視，一旦「垃圾」的空間密度達到一定程度，會引發「連鎖反應」。特別是一旦有對航天器巨大的撞擊，產生大量高速飛行的小碎片，將會加劇這種效果，引起大量衛星等人造天體被毀，最壞的情況下碰撞形成了太多的碎片，會帶讓人類在長達幾十年時間裡無法向太空發射任何新的無人或者載人航天器。

在當時，科學家們一直記錄著仍然留在軌道的人造物體的目錄，但並沒有根據它們解體的事件更新列表。因此，很難預測這種「破裂副產物」的體積——這些碎片太小，無法被衛星探測到。

此時發表的凱斯勒論文給科學家和政府當頭一棒，其意義在於強調了軌道上小碎片即將發生的危險，以及對碰撞產生的次級碎片進行編號記錄的必需性。凱斯勒建議避免碰撞指數增長的最好方法是減少軌道上非運行航天器的數量。

據凱斯勒自己說，他的同事John Gabbard在向一位記者解釋這篇論文時創造了「凱斯勒現象」（Kessler syndrome）這個說法（實際上也有直譯做「凱斯勒綜合征」或「凱斯勒症候群」的，符合常見的醫學翻譯，但syndrome也有典型表現的意思），隨後記者發表報道時順勢採用了這個詞。

1996年凱斯勒自己畫的漫畫

凱斯勒的文章發表後受到重視，美國航空航天局很快成立了軌道碎片項目組，並讓凱斯勒負責研究這個問題。此後他常年跟蹤太空垃圾，並努力尋求降低太空垃圾形成速度的辦法。他對軌道碎片數量大爆發的周期預測是大約30至40年。

作者：王錚 中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室

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