科学家们有史以来首次近乎实时地观测到太空碎片在地球大气层中燃烧时产生的空气污染云团。这一突破性测量将帮助大气化学研究人员理清再入过程中产生的有毒空气污染所引发的复杂化学反应——这类污染可能会对地球大气层和气候造成破坏性影响。

这团锂云是在SpaceX猎鹰9号火箭的一个上级箭体坠入欧洲上空、碎片散落波兰后被探测到的。德国莱布尼茨大气物理研究所的一组研究人员使用激光雷达（一种脉冲激光仪器，可根据光的频率激发特定化学元素）完成了此次探测。

该新论文的通讯作者罗宾·温告诉太空网，研究人员在看到火箭箭体坠入欧洲上空的新闻后，立即着手尝试进行测量——此次坠落引发了壮观的火球，多个国家都能观测到。

“我们认为这是一个绝佳的机会，于是我们查看了风向，在确认风向有利后，我们启动了激光雷达，并在次日夜间进行了测量，”温说，“当我们处理数据时，发现了一个非常强烈的信号，锂浓度在正确的高度、正确的时间点增强了十倍。”

温解释说，火箭的大部分在爱尔兰海岸上空约60英里（96公里）的高度蒸发殆尽。随后，产生的污染云团在风的作用下，经过约20小时穿越西欧到达德国。而碎片残骸则在约两分半钟内穿越了从爱尔兰到波兰西部的930英里（1500公里）距离。

为了确定这团云团是否真的来自猎鹰9号的再入过程，研究人员使用欧洲中期天气预报中心的全球大气环流模型进行了反向计算。该模型显示，云团在正确的时间点与再入的猎鹰9号残骸轨迹相交。

研究人员将重点放在锂上，因为锂在大气中的自然含量极低。

“我们认为锂是（人为）再入过程的良好示踪剂，”温说，“天然陨石中的锂含量非常少，我们估计全球每天的天然锂输入量约为80克。但仅在一枚猎鹰9号火箭中，铝锂合金外壳加上锂电池，锂的总含量就约为30公斤。”

近年来，太空碎片再入大气层的问题日益受到关注。过去十年间，轨道上的卫星数量激增，随之而来的是在地球大气层中烧毁的太空垃圾数量也不断增加。欧洲航天局估计，每天有超过三件太空碎片——包括旧卫星、废弃火箭箭体以及各种碎片——螺旋坠入地球。

一年中，数百吨太空垃圾在大气层中燃烧，释放出大气中原本不存在的化学物质。虽然再入太空垃圾的总量仍只是地球遇到的天然陨石数量的一小部分，但科学家认为，与天然太空岩石不同，太空垃圾造成的空气污染可能会破坏大气层的保护性臭氧层，并改变其热平衡。

温表示，目前人们对锂对大气过程的影响几乎一无所知，迄今为止，大部分科学争论都集中在铝上——铝是航天器主体中最丰富的金属。已知铝在大气燃烧过程中会与氧气发生反应，产生氧化铝（一种粉末状物质），这种物质会加速臭氧层消耗，并改变大气的反射率，可能导致地球温度变化。

“铝实际上很难测量，”温说，“它与氧气的反应速度非常快，仅需一微秒。因此，铝从火箭外壳中蒸发的那一刻，就会与遇到的第一个氧原子结合。”

冬季的莱布尼茨大气物理研究所，三束绿色激光正在测量平流层和中间层的风和温度。

研究人员希望未来能用他们的激光雷达仪器尝试测量再入过程后大气中的氧化铝浓度。

伦敦大学学院大气化学与空气质量教授、太空碎片空气污染影响研究领域的顶尖研究员埃洛伊萨·马雷斯在评论这项研究时表示：“这项研究是观测航天领域活动对大气层影响的重要里程碑，尤其是考虑到烧蚀再入目前是清理日益拥挤的轨道的唯一可行、可扩展的方法。”

“这项研究的见解，以及未来类似的后续研究和相关研究，对于改进模型至关重要，因为我们依赖这些模型来评估航天器再入对全球环境的影响。”

多年来，科学家们一直推测日益增多的再入太空垃圾可能对大气层产生的影响。一项基于高空飞机测量的研究证实，平流层（地球大气层的第二层，高度在10至50英里之间）中约10%的气溶胶颗粒含有来自烧毁卫星的金属颗粒。而这篇新论文首次将特定的再入事件与可见的大气污染云团联系起来。

“我们首次能够直接证明，我们有能力追踪和观测来自太空碎片的污染云团，并将其与单一再入事件关联起来，”温说，“这在观测和计算两方面都是一项突破，这是前所未有的。”

莱布尼茨团队将在未来继续他们的观测工作。自成功探测到猎鹰9号火箭再入事件后，他们已经建造了一种新型激光雷达仪器，能够同时测量多种金属化合物的痕迹。