各國意識抬頭，太空碎片帶來的災難有多嚴重？

十年前（2011 年）美國國家科學委員會（NRC）發布了一份報告，對於環繞地球的碎片數量發出了警報^[1]。當時根據美國太空總署的估計，碎片已達到「臨界點」，導致在軌道上的碎片，不斷碰撞並產生更多碎片，從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了，繞地球運行的碎片數量越來越多，甚至風險增加得更快；是否太空碎片數量的臨界點正在逼近？沒有人知道答案，但可能很快。

何謂太空碎片？

首先，我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署（NASA）定義，太空碎片泛指不提供有效服務，且繞行地球運行的人造物，如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片，均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡（SSN），所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道，依照能量守恆和動量守恆定律，飛行的速度必須達到每秒幾公里，才能繞著地球飛行；因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片，比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片，即使不是災難性的，也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重？

自 1957 年以來，人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體，大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議，限制碎片的增長速度，各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道，然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時，則可能發生理論失控的碰撞反應^[2]。

最近，美國太空新聞（Spacenews）報導，非洲的小國家盧安達（Rwanda）向國際電信聯盟（ITU）申請 327,230 顆衛星^[3]，加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統，加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統，以及地球靜止軌道上的通訊衛星，這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量，達到碰撞臨界點的極限風險；問題是國際電信聯盟沒有執法權，國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散，以及 2009 年銥星（Iridium）與俄羅斯 Cosmos 的碰撞，讓人們意識到，並提高了積極管理碎片情況的緊迫性，努力採取緩解方法，並提出了許多減少太空碎片的技術。去年（2021）年底，中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制，以規避靠近中的星鏈（Starlink）太空網路衛星潛在的碰撞危機。

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應（Kessler Effect）理論，說明當太空碎片達到或超過容量限制時，由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體，數量將變得非常大，它們會不斷相互碰撞，產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後，新產生的碎片將呈指數倍增，直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生，整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間，最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系，可能會導致數十年，甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點，造成碰撞災難，無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等，大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利，以及所建立的文明，將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題？

若是我們什麼都不做，可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元，並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施，就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題，但這就需要一個非常縝密的計劃，涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性，相繼提出不同的補救措施，包括：建立太空碎片追蹤機制，由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡，避免現役衛星與大型物體相撞；提出減少計劃，清除太空小碎片物體的數量；跨國協調衛星的太空交通，以維持安全的飛行路徑；在設計人造衛星時，規劃衛星壽命結束前的退場機制，讓衛星降低軌道返回地球，並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子，在今年 2 月初所發射的星鏈 （Starlink）太空網路衛星，發射時正好受到太陽風暴衝擊，有 40 顆衛星被風暴摧毀，幸好當時這一批衛星有返回地球的機制，能夠重新進入大氣層並燃燒掉，順利地減少了一批太空垃圾。

註解

1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
2. Space debris
3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real