马斯克的星链卫星会导致凯斯勒综合症吗？

在 2020 年代和 2030 年代，夜空和环绕地球的空间都将变得与整个人类历史上的其他时期截然不同。截至 2019 年，全人类已发射了估计共计 8,000 至 9,000 颗卫星，其中约 2,000 颗当时仍在运行，大部分位于低地球轨道。随着许多公司争相从太空提供全球 5G 覆盖（其中最突出的是埃隆·马斯克 SpaceX 的 Starlink，其拥有的卫星数量最多），人类现在开始进入卫星巨型星座时代。

截至 2023 年的今天，活跃卫星数量已接近 9000 颗，其中活跃的 Starlink 卫星占绝大多数：8647 颗活跃卫星中，有 4755 颗是 Starlink，占比高达55%。虽然媒体报道到目前为止主要集中在一种有害影响上——这些卫星已经造成并且仍在对天文学观测造成损害。但还有第二种后果，从长远来看可能更加灾难性——凯斯勒综合症。由于轨道上有数万甚至数十万颗卫星，一次碰撞就可能引发连锁反应。考虑到太阳耀斑、日冕物质抛射和其他形式的太空天气的现实，巨型星座时代可能会迎来一种新型自然灾害，使地球轨道无法再执行未来的所有太空任务。

超过十万个人造物体（其中 95% 是“太空垃圾”）占据着低地球轨道和中地球轨道。这幅图中的每个黑点代表一颗正在运行的卫星、一颗不活跃的卫星或一块足够大的碎片。目前和计划中的 5G 卫星将大大增加卫星的数量和影响，并增加凯斯勒综合征的可能性。

凯斯勒综合征

的概念很简单：如果地球周围的卫星太多，其中任何两颗卫星不幸相撞都会产生足够多的碎片，导致另一次相撞不可避免。尽管对于何时会达到这一临界点尚无广泛共识，但人们普遍认为，大型卫星的数量越多，风险就越大。仅 Starlink 就计划在三个不同的轨道上共发射 42,000 颗卫星，许多其他公司也在效仿，凯斯勒综合征的危险在当前十年（即 2020 年代）内将成倍增加。

在过去，卫星被发射到可跟踪和可知的轨道上，偶尔发生的碰撞只是由于轨道因大气阻力而衰减的不活跃卫星。然而，随着巨型星座的出现，这些轨道卫星的运动将不再由不断监控它们以避免碰撞的人手动控制。相反，人工智能现在已经进入人们的视野，完全自动化了避免碰撞的问题。虽然许多人认为这是一个了不起的功能，但实际上，它对我们目前所有的太空探索和空间科学任务，从地球监测卫星到行星探索等等，都构成了新的灾难性危险。

首批 12,000 颗卫星发射后，Starlink 卫星的完整网络模拟。（尽管 Starlink 和其他行业参与者已经提交了数万份申请。）该网络将以 5G 速度和低延迟时间持续提供近乎全面的全球覆盖。虽然在全球范围内提供高速互联网是一个崇高的目标，但破坏地面天文学、天文摄影并对我们太空基础设施的未来构成威胁应被视为非同寻常的附带损害。

由于有如此多的物体在同一高度的轨道上运行，因此需要人工智能来不断利用机载推进器来实现三个主要目标：

1. 确保卫星的正确、连续间距，以提供必要的互联网覆盖，

2. 为受到轨道衰减影响的卫星提供推力，补偿地球大气的阻力，

3. 进行任何必要的加速或轨道改变，以避免与其他卫星发生碰撞，包括同一巨型星座的其他成员卫星以及任何穿过这些轨道层的其他卫星或航天器。

最后一点绝对至关重要。任何两个处于相同高度的轨道总会有两个相交点，如果有足够的时间，卫星漂移将不可避免地发生这种碰撞。只有让卫星实时校正自己的航向，这些卫星的操作员才能确保无碰撞的情况，而这只有在这些防撞系统不间断、100% 连续正常运行的情况下才能实现。

小型立方体卫星与拟建卫星（大型 X 射线计时天文台）之间的模拟碰撞表明，即使是小物体也有可能损坏或摧毁其撞击的任何物体。由于典型的相对轨道速度约为 10 公里/秒左右，产生的碎片极有可能撞击其他卫星。

这就是为什么当前的卫星碰撞缓解计划伴随着潜在的灾难性情景：如果卫星因某种事件而失去响应怎么办？如果需要不断进行轨道修正以避免与其他卫星相撞，那么可能发生的最糟糕的情况就是卫星瘫痪，不仅无法响应机载人工智能系统，也无法响应发送给它们的任何命令，甚至是手动命令。

这不是科幻小说中的恐怖场景，而是与太阳本身一样不可避免的事情。太空天气，太阳耀斑、日冕物质抛射，甚至普通的太阳风等事件都会将带电粒子从太阳中发射出去。当它们恰好被送往地球时，我们的表面受到地球磁场和大气层的保护。对人类或任何生物有机体的危险基本上为零，通常发生的最大影响是壮观的极光。即使太阳和地球的磁场以某种方式排列，以至于大量带电粒子撞击我们的星球，高层大气也足够密集，以至于这些太阳风粒子都不会击中人类、植物，甚至天空中的鸟类。对生物的危险基本上为零。

地球磁场通常会保护我们免受太阳发射的带电粒子的伤害，但当太阳磁场与地球之间发生磁连接时，粒子就会被集中到极地周围，形成壮观的极光秀，如果满足其他条件，还可能形成地磁风暴。

但在太空中，即使是在低地球轨道，大气层也无法提供任何保护，而我们遍布全球的磁场也无法保证将这些粒子从任何高度的任何卫星上转移开。包括地球同步轨道、中地球轨道，或低地球轨道。根据 NOAA 的数据：

“太阳高能粒子（高能质子）可以穿透卫星电子设备并导致电气故障。这些高能粒子还会在太阳辐射风暴期间阻碍高纬度地区的无线电通信。”

目前，太阳正逐渐接近其周期性太阳活动的高峰期。在 11 年的时间尺度上，太阳黑子的数量（与耀斑活动和日冕物质抛射的概率直接相关）从基本为零（太阳平静）变为太阳活动极大期，然后又回到零。2018-2019 年，我们刚刚摆脱之前的太阳活动极小期。但现在，太阳黑子、太阳耀斑和其他太空天气事件正在增加，预计下一个太阳活动极大期将发生在 2024 年或 2025 年，此后每 11 年就会出现另一个太阳活动极大期。

自从我们开始观察太阳和追踪太阳黑子以来，全年观测到的太阳黑子数量一直呈现出极为规律的 11 年周期。第 25 个太阳周期现已到来，虽然预计其高峰期要到 2024-2026 年左右才会到来，但当前太阳周期的强度（红色曲线）超出了预期（蓝色曲线）。

每当这种太空天气（由裸质子或更复杂的原子核组成的高能带电粒子）撞击卫星时，卫星都会面临巨大的危险。高能质子穿过卫星的电子元件时，可能会：

· 产生感应电流，

· 造成电气短路，

· 并且很容易引起各种类型的电气故障。

如果卫星自发发生这种情况，并且在太空天气事件影响它们之前没有采取任何预防措施，它们将无法完全调整其航向，无论是通过人工智能还是任何其他方式。如果它们无法调整航向，那么这两颗卫星相撞的问题就变成了俄罗斯轮盘赌般的机会游戏，在不可避免的事情发生之前，很可能会发生一系列险些相撞。考虑到当前技术和基础设施的限制，在卫星数量足够多、时间足够的情况下，如果不采取额外的缓解措施，这种情况是无法避免的。

最糟糕的情况是，每次碰撞都会产生新的碎片，从而增加在轨碰撞的可能性和频率，这种情况会随着每颗新的巨型卫星升空而变得更糟（按照这个标准，所有代的 Starlink 卫星都算“大”）。凯斯勒综合症的噩梦场景是，在短时间内，可能在第一次碰撞后仅几周或几个月，地球周围的区域将变成一片碎片场，相当大比例的现有卫星将在即将发生的一系列撞击中被摧毁。

20 分钟间隔显示两颗轨道卫星在太空中距离最近的一次。请注意，大约每分钟一次，两颗卫星之间的距离在 2 公里以内，许多卫星之间的距离甚至更近。随着卫星数量的增加，卫星碰撞的风险迅速上升。目前，低地球轨道上的活跃卫星数量是这张 2021 年图表中的两倍多。

目前，人类历史上发生的每一次太空灾难，包括卫星相撞，以及在太空中爆炸或发生故障的失败任务，都意味着可能有多达数十万块指甲大小或更大的太空垃圾。这些垃圾已经对我们现有的卫星和太空探索行动构成了威胁，其中一颗卫星几年前与国际空间站相撞，导致窗户破裂。

但如果近地轨道上有数十万颗大型卫星，情况就大不相同了。在这种情况下，两颗大型卫星之间的一次碰撞就可能引发人类从未见过的灾难性连锁反应。很快，太空垃圾的数量就会增加到数千万块，不仅影响近地轨道的卫星，还影响中地轨道的卫星。

第一家公司的通信卫星发生这样的灾难，可能会影响到其他所有通信公司的卫星，更不用说目前在轨的军用和科学卫星了。不仅卫星技术至少在几十年甚至几千年内都不可能实现，直到轨道自然清理完毕。而且所有“常规”太空发射必然伴随着巨大的赌注。

太阳耀斑会将物质从母星喷出并进入太阳系，从而引发日冕物质抛射等事件。虽然粒子通常需要约 3 天才能到达，但能量最高的事件可以在 24 小时内到达地球，并可能对我们的电子和电气基础设施造成最大损害：无论是在地表还是在太空/卫星基础设施。

当今太阳对地球构成的最大危险是大规模日冕物质抛射，如果它以错误的磁场方向向我们飞来，可能会导致大规模的电力灾难，从而摧毁全球各地的电网，引发火灾，并给我们的基础设施造成数万亿美元的损失。

然而，一系列太阳望远镜和天文台提供了一个潜在的解决方案。我们可以密切的监测太阳活动：

· 在地球上，我们可以利用美国国家科学基金会的井上太阳望远镜等天文台，

· 而在围绕太阳的轨道上，我们可以利用美国宇航局的帕克太阳探测器和欧空局的太阳轨道器，

· 在 L1 拉格朗日点，我们可以借助 NASA 的 SOHO 和太阳动力学观测站等天文台，

· 还可以利用在地球轨道上运行的卫星，比如日本的日出号卫星。

我们可以在任何卫星受到影响之前，立即监测带电粒子流从太阳射出时的情况，评估太空天气在途中对地球造成的风险。

当日冕物质抛射从我们的角度看似乎向各个方向相对均匀地延伸时，这种现象被称为环状日冕物质抛射，这表明太阳发射的高能粒子很可能正朝着我们的星球飞来。

这种专为太空天气监测而设计的基础设施可以让我们在大多数太空天气事件发生前三到四天就能收到通知，甚至可以提前约 17 小时收到最强烈、移动速度最快的太空天气事件的通知。日冕物质抛射需要具备特定的特性才能对地球基础设施构成威胁，而地球轨道上的卫星则处于更加危险的境地，容易受到以下因素的影响：

· 日冕物质抛射，

· 太阳耀斑，

· 甚至只是普通的太阳风。

为了确保针对我们的太阳耀斑不会导致凯斯勒综合症，采取以下预防措施可以防止不可避免的灾难。

· 当太阳发出耀斑时，所有巨型卫星星座都必须进入预先计划的“安全路线”轨道。

· 这些“安全路线”将是被动轨道，专门设计用于在未来最长时间内最大限度地延长卫星之间的距离。

· 这样的干预至少可以为我们争取到数年的时间。即使在最坏的情况下，我们也可以启动紧急任务来拦截和脱离轨道上的任何损坏的卫星。

然而，从一开始，任何卫星巨型星座的基础设施都没有内置这样的故障保护措施，包括 Starlink，都没有“安全模式”。因此，在实施之前，在现状下运行这些卫星将始终存在因太空天气事件引发碰撞或连锁反应的风险。

两颗卫星相撞会产生数十万块碎片，其中大部分碎片非常小，但移动速度非常快：最高可达 10 公里/秒。如果轨道上有足够多的卫星，这些碎片可能会引发连锁反应，使地球周围的环境几乎无法通行。

如果我们未能做好准备，我们唯一的选择就是为这场本可轻松避免的灾难想出一个巧妙的名字：我建议将其命名为“Flaremageddon”。这种自然灾害场景很容易想象。想象一下，现在是 2035 年，我们有数万颗新的巨型卫星星座，与此同时，太阳赤道周围出现了一系列太阳黑子。磁重联事件发生，引发 X 级太阳耀斑，日冕物质抛射直冲地球。相对于地球，太阳磁场的方向会造成地磁风暴，从而导致一些主要电网瘫痪。

但在太空中，大量卫星受到来自太阳的高能粒子轰击，导致它们失去响应。8 天后，第一次卫星与卫星相撞。当人类忙于做出适当反应时，第二次碰撞发生了，引发了连锁反应。到 2037 年，国际空间站被迫废弃，我们在低地球轨道上的地球监测卫星被撞下线，哈勃太空望远镜被摧毁。数千万块碎片随后填满低地球轨道，使得任何后续发射都不可能进行，除非运载火箭本身受到这些碎片的多次撞击。

这是一场完全可以避免的灾难，但除非我们现在做好准备，提前应对任何可预见的灾难，否则我们就有可能抵押整个物种在太空的未来，这一切都是因为我们未能采取必要的预防措施。