起初，科学家和工程师并没有认识到火箭残骸、废弃的卫星、反卫星武器试验在太空留下的物体以及宇航员在太空留下的生活垃圾，会对在太空的航天器、宇航员产生什么危害，也不认为会影响航天器进出太空，因为太空实在太深邃、太辽阔。因此，那时人们并没有为这些人造废弃物下定义，我们在现有的国际太空法中找不出相应的名称。后来人们把这些因为人类太空活动产生的废弃物定义为太空碎片(space debris或space junk)。
何谓太空碎片呢? 目前，还没有一个公认的界定。根据维基百科的定义，它是指在绕地球轨道上运行，但不具备任何用途的各种人造物体。这些物体小到固态火箭的燃烧残渣，大到在发射后被遗弃的多级火箭[1]。由于太空碎片在太空高速运动，具有很大能量，因此即使一个小小的碎片，如果撞击了太空中的航天器，都会或多或少地对其产生严重影响，甚至使之毁灭;或者威胁到在太空行走、舱外维修航天器的宇航员的生命。随着太空探索、利用的推进，太空垃圾数量正在大量增加，其问题的严重性日益受到全球关注。
自从1957年首颗人造卫星上天以来，据不完全统计，从1957年到2005年，世界各国总共进行了4600多次发射，把近6000个航天器发射到太空，其中俄罗斯3121个，美国1802个，其他国家、地区和组织为764个(其中日本109个，中国88个，法国46个，印度38个等)。其中通信卫星1671颗，遥感卫星2107颗，导航卫星384颗，科学卫星和试验卫星1049颗，空间探测器140个[2]。2011年2月，美国国防部的统计在轨运行卫星为1100颗[3]。
人类在进行太空活动过程中，大约共产生了5500吨垃圾[4]。美国国防部利用其太空监视网(Surveillance Network，SSN)[5]跟踪着22000多个直径大约10厘米的物体，这些太空物体中只有1100颗是正在运转的卫星，不到总数的5%。根据估计，在太空物体中，直径大约1厘米的有20多万个，小于1厘米的太空物体的数量以几百万计。这些物体中的绝大多数是太空碎片。影响太空碎片的两个关键因素是在轨物体数量和产生碎片的发射次数。太空碎片的增加，导致碎片之间相互碰撞的几率增加，这样就会产生更多碎片。美国航空和航天局的研究显示，未来50年，在近地轨道，碎片碰撞将成为碎片产生的主要来源。2003年，大约43%的被跟踪的碎片来自于爆炸和碰撞[6]。随着碎片碰撞和倍增，最终形成碎片“碰撞潮”，威胁着人类可持续性地进入太空[7]。太空碎片每年都有增加。从1961年到1996年，被编目在册的太空碎片，平均每年大约增加240个。1997年10月8日到2004年6月30日，被编目的太空碎片只增加了603块。较之以前，太空碎片增加的幅度很小，主要是因为自从1990年代以来国际社会为太空碎片缓解进行了大量工作，同时也得益于国际社会发射航天器的次数减少[8]。但是2007年、2008年和2009年太空碎片明显增加(见图3-1)，2009年编目碎片就超过了1650个。到2009年年底，被美国太空监视网编目的大约10厘米的碎片达到15090个，较之于2008年年底增加了2347个，增幅达到15.6%。这个数目不包括至少另外6000个被跟踪但没有编目的碎片[9]。
能够被编目的太空碎片，主要来自航天大国。根据《太空安全2010》的统计，目前美国、俄罗斯等国是制造太空垃圾的大国。在这些被编目的太空碎片中，来自有源卫星的碎片大约占25%，其余都是非有源卫星。来自非有源卫星的碎片又可以分为因火箭产生的碎片(占13%)、碎片分解的碎片(占48%)、与飞行相关的碎片(占12%)和异常碎片(占1%)[10]。
图3-1 地球轨道物体类型的每月数量变化图
资料来源: Orbital Debris Quarterly News，Vol.14，No.2，April2010. p.4。
可以被编目和被跟踪的太空垃圾只占太空碎片总数的极少数。根据估计，目前太空总共大约有1.5亿个太空碎片[11]。下面表3-1、表3-2显示了碎片总体情况。
表3-1 估计的太空碎片总数
资料来源:David Wright，“Space Debris”，Physics Today，October2007，p.36。
表3-2 不同尺寸太空物体的数量与质量
说明:* 来自1998年《国际太空》第1期的数据。数据来源:Richard Crowther，Orbital debris: a growing threat to space operations，Royal Society，vol. 361no. 1802，2003，p.158。
因为卫星主要分布在近地轨道和地球同步轨道上，因此，太空碎片也主要分布在这两个轨道上。从太空碎片轨道高度分布来看，大约90%的碎片分布在近地轨道上(见图3-2)，峰值分布在800千米轨道高度附近。从轨道倾角来看，太空碎片主要分布在60—110°倾角范围内，峰值分布集中于98°的太阳同步轨道附近。在地球静止轨道区域，太空碎片主要分布在倾角0—10°范围，峰值分布倾角集中在0.1—0.4°范围(通讯卫星最密集区域)[12]。
图3-2 近地轨道编目物体分布密度随轨道高度变化情况
资料来源:Orbital Debris Quarterly News，Vol.13，No. 3，July2009. p.6。
不过，太空碎片所形成的形状有所差别:在地球同步轨道上，太空碎片带呈现环状;而在近地轨道上，太空碎片带则是云状。下图3-3是欧空局绘制的太空碎片示意图。
图3-3 太空碎片在地球同步轨道、近地轨道分布示意
资料来源:http:www.esa.int/About_Us/Esoc/Space_debris_evolution_in_pictures/(ipp)/q/(start)/o。
由于太空碎片增多，碎片与碎片之间就会出现碰撞，产生更多的碎片。于是形成了凯斯勒现象或碰撞级联效应。这个现象理论是美国科学家唐纳德·K·凯斯勒于1978年提出的一种理论假设。该理论假设认为当在近地轨道的运转的物体的密度达到一定程度时，将让这些物体在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击，形成级联效应，意味着近地轨道将被危险的太空垃圾所覆盖[13]。这一点被现实所证实。
根据太空碎片发展的情况，欧空局对2005年与2112年地球同步静止轨道上的太空物体进行了对比。(当然，2112年的数据主要通过电脑模拟实现)，通过对比，太空碎片情况不容乐观，见下图3-4。
就太空碎片的成分而言，主要是铝合金、铝、锌、钛等金属的氧化物，部分为航天员产生的含纳、钾成分的废物，及其电子产生的含铜、银等成分的碎片，平均密度约为2.8g/cm3，在近地轨道上，太空碎片运转的速度为7—8km/s，与其他太空物体的平均相对碰撞速度约为10km/s。太空碎片在尺寸大小上也有不同的来源上的差别。厘米级以上的太空碎片主要来源于运载火箭的最后一级、寿命终结的航天器、遗弃的工作工具、意外解体碎片、钠钾冷却剂等;毫米级的太空碎片主要来源于航天器表明老化剥落碎片(如油漆)、溅射物、三氧化二铝残渣、钠钾冷却剂、意外解体碎片、微流星体;微米级的太空碎片主要来源于航天器表面老化剥落碎片、三氧化二铝粉尘、溅射物、微流星体等[14]。
图3-4 欧空局绘制的2005年和2112年地球同步轨道上物体情况
说明:上图中的顶部显示的是采取了太空碎片缓解措施的太空碎片情况;底部则是没有采取太空碎片缓解措施的情况;下图中的顶部显示的是2112年采取太空碎片缓解措施的太空碎片情况;底部则是没有采取此类措施的情况。
资料来源: Space debris: evolution in pictures. http://www. esa. int/SPECIALS/ESOC/SEMN2VM5NDF_mg_3.html。
太空碎片的寿命，主要受大气压力的影响。换句话说，其寿命取决于太空碎片的质量、大小、形状，以及它所处轨道位置上大气的密度。因为大气的密度大体上随着高度的增加而减少。轨道高度对重力和碎片寿命产生极大影响。实际上，太空碎片的轨道寿命取决于两个因素:第一个是阻力系数，第二个是大气密度。阻力系数，取决于物体面积与质量之比，物体单位面积的质量越大阻力系数也越大，大气阻力就越小。大气密度，明显受太阳活动的影响，太阳活动时地球高层大气受热膨胀，向更高的高度扩散，使得高层大气密度增加促进了卫星和太空碎片的轨道衰减。这种情况一般出现在600千米以下。也就是说，超过这一高度，这个现象就不再存在，因为，超过这个高度，几乎不存在大气了，或者说大气几乎可以忽略不计。例如，在300千米高的轨道上，太空物体的寿命大约几周的时间，而在500千米左右，寿命则增加到1年时间。700千米，则是几十年时间，800千米以上，则可能存在100年，大于1000千米，寿命则可以提高到上千年。到了地球静止轨道高度，太空物体的寿命则更长，达百万年以上。(https://www.xing528.com)
在一定高度范围内，大气的密度有个周期变化，这就是每11年的太阳活动周期。太阳活动年周期，大气受热膨胀，大气向更高的太空扩散，因此影响太空碎片的寿命。下图3-5显示的是这种变化的情况。
图3-5 太阳活动年太空碎片变化情况
说明:这是NASA根据太阳活动年模型绘制的图表。这里的碎片大约10厘米，所选择的轨道高度分别为400千米、600千米、800千米和1000千米。左图显示的是1980年1月太阳活动峰值时太空碎片在轨情况，右图则是1968年1月太阳活动低谷时期的情况。
资料来源: David Wright，“Space Debris”，Physics Today，October2007，p.39。
全球气候变暖，也对太空碎片在轨寿命产生了明显影响。二氧化碳排放量的增加不仅导致全球气候变暖，而且正在改变着大气电离层的密度，这影响着处在该层的碎片、航天器运行，同样也直接关系到碎片对航天器产生的负面影响。大气电离层又叫热层，在距离地球表面大约97千米到643千米的地方，是地球大气层的第四层，只有外逸层比它高。热层内包含的气体比低层大气少得多。热层内的少量剩余氧气和其他气体吸收了来自太阳的辐射，使这里的温度达到800°。大气层密度改变意味着碎片、卫星最终遇到的阻力会增大或减小，从而改变其轨道形状。空气密度较大的情况下，太空碎片更容易被清理出大气层，如果电离层温度下降，密度变小，很可能会延长太空垃圾的寿命，并给卫星导航带来更多的问题。现在有证据表明，大气电离层(热层)确实在变冷，而二氧化碳就是导致其变冷的主要原因。美国国家大气研究中心(National Centrefor Atmospheric Research)斯坦利·所罗门(Stanley Solomon)及其同事发现从1970年到2000年，热层大气密度降低了5%，同时预测到2017年，二氧化碳将导致电离层的密度降低3%，而这里的温度也将随之下降。一方面，可以节省航天器在轨运行所需的燃料，这是好的一方面。但是，却增加了太空碎片的寿命[15]。英国南安普敦大学的阿伦·桑德斯(Arrun Saunders)和休·刘易斯(Hugh Lewis)研究了过去40年中30颗卫星的轨道，记录到这些卫星在轨道中停留的时间逐渐增加。他们将此归因于由于二氧化碳水平升高导致的高层大气变冷和密度降低。通过计算，他们得出在300千米高度，大气密度每十年降低5%，“较低的分子制动阻力意味着碎片在轨道中停留的时间将延长达到25%”[16]。
当然，也有少数太空碎片自然消失的情况出现。在高速运动下，一旦太空碎片进入大气层，与大气发生摩擦，有些就会燃烧焚毁，也有些碎片会落到地面。图3-6就是人造物体重返大气层数量的情况。从图表中可以看出，在总体上重返大气层的太空碎片(即使不包括火箭残骸)总数要多于航天器。
图3-6 人造物体重返大气层变化图
资料来源: Orbital Debris，Updated April10，2008. http://www.secureworldfoundation. org/siteadmin/images/files/file_16.pdf。
[1] “太空垃圾”，http://zh.wikipedia.org/zh/%E5%A4%AA%E7%A9%BA%E5% 9E%83%E5%9C%BE。
[2] 司马杭仁:“人类发射近6000个航天器太空垃圾日渐增多”，http://mil.news. sina.com.cn/2007-03-20/1102435789.html。
[3] “National Security Space Strategy(NSSS)”，Unclassified Summary，January2011，p.1. http://www. defense. gov/home/features/2011/0111_nsss/docs/National Security Space Strategy Unclassified Summary_Jan2011. pdf.
[4] 司马杭仁:“人类发射近6000个航天器太空垃圾日渐增多”，http://mil.news. sina.com.cn/2007-03-20/1102435789.html。
[5] 这个监视系统用来跟踪太空碎片，并对其进行编目。目前，这些系统还不能对这些太空碎片进行连续监视，只能做到定点核对。该系统只能对近地轨道的直径大约10厘米的物体进行编目，如果要对地球同步轨道上的碎片进行编目，这个碎片的直径要更大些。
[6] Space Security Index，Space Security2010，September2010，p.31.
[7] Space Security Index，Space Security2008，August2008，p.27.
[8] Space Security Index，Space Security2010，September2010，p.31.
[9] Idix，p.33.
[10] David Wrigh，t“Space Debris”，Physics Today，October2007，p.38.
[11] Idix，p.36.
[12] 王海福、冯顺山、刘有英:《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第3—4页。
[13] Donald J. Kesslerand Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creationofa Debris Belt. Journal of Geophysical Research，Vol.83，1978，p.63.
[14] 王海福、冯顺山、刘有英:《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第2—3页。
[15] Globalwarming prolongs life of space debris，Reuters，12 December2006.http://www.nzherald.co.nz/space/news/article.cfm? c_id=325＆objectid=10414996.
[16] Changingatmosphereincreasesbuild-upofspacedebris，18June2010. http://www. soton.ac.uk/mediacentre/news/2010/jun/10_61.shtml.
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