本週特寫  
   

人造衛星與「光污染」

二零二零年九月 第一星期

 

今次談談高一點的人為光污染。

上月底跨界專家發表報告,巨型衛星群將徹底地改變地面光學及紅外線天文觀測,並影響全球夜空面貌。超過250名科學家、工程師、衛星營運者及其他持分者,在6月底舉行衛星群研討會(satellite constellations workshop, SATCON1),研究並總結人造衛星群對地面光學及紅外線天文觀測的影響及緩減措施建議。美國國家光學及紅外線天文實驗室(NOIRLab) 與美國天文學會(AAS) 在香港時間26/8/2020凌晨,舉行網上記者會及發表SATCON1報告。

過去5-10年,多間公司表示有意發射總數以萬計的低軌道人造衛星(Low Earth orbiting satellites , LEOsats)發展通訊業務,是現時總共數千衛星的數倍,甚至十倍以上。在高密度的城市中,網絡建設和營運只需要較少成本就可以為大量用戶提供服務,吸引較多電訊商建網,同時用戶亦可在攤分基建費用下以相對低廉的費用使用高速的通訊網絡。但如果在偏遠山區、島嶼、大海等地方便難以建設,使用現有衛星通訊費用成本則極高,網速亦相當有限。

近年小型衛星、火箭發射、通訊技術的進步,發射大量小型LEOsats互聯建立跨越地域的通訊網絡變成商業和技術上可行,並可以在全球絕大部分地方使用,用戶端亦只需安裝遠比使用同步軌道衛星小型和便宜的設備便可。此市場亦引來多個競爭者爭相建設網絡,吸引具有電訊網絡、衛星、火箭發射技術的公司開拓業務。其中最大型的計劃包括,SpaceX的 Starlink(預計衛星12000至40000個)、Amazon的Project Kuiper(超過3000個)、OneWeb的OneWeb Constellations(預計衛星650至48000個),預計都會在2020年代投入運作。

衛星群並非新事物,日常應用的衛星定位、電視轉播、衛星電話通訊等皆由衛星群提供服務,但這些衛星群一般由數個至數十個衛星組成。例如衛星定位系統、通訊衛星銥星群。這些新一代衛星群數量遠超過往,甚至稱為巨型衛星群(magaconstellation),可能造成難以估計的影響。



上年起,SpaceX 已發射超過650個Starlink 衛星、OneWeb的3組74個, 絡繹不絕橫過天空,為天文觀測敲響警鐘。大量明亮的衛星在望遠鏡的視場掠過,嚴重影響觀測,特別威脅近年多個新建成的廣視場巡天望遠鏡。衛星反射陽光到地面,形成明亮移動的光體橫過天空,由於衛星群數十個一組,連續在相近的方位掠過,並在影象留下大量明顯條痕(streak)掩蓋夜空,嚴重影響觀測,甚至令數據無法精確分析而作廢。過去數月大量公眾參與彗星和流星雨的觀測攝影,不少也受到衛星群「災難級」影響而讓此事得到更多關注。




香港天文愛好者Stewart Yeung上年在西貢北拍攝的Starlink掠過縮時影片。



Image: Credit: Mark Handley
Starlink的模擬可參考:http://www.deepskywatch.com/Articles/Starlink-sky-simulation.htm


當中進展最快、最高調的SpaceX,其CEO Elon Musk在衛星尚未發射前曾豪言Starlink衛星難以察覺、不會影響天文觀測,否則其公司會盡一切能力去解決,甚至在網上與網民討論。2019年Starlink 開始分批投入軌道後,面對科學界一疊疊的論文和觀測報告,SpaceX變得積極起來,與各方專家研究各種方法,包括塗黑衛星、加裝太陽擋、調整太陽能板角度以減少反光到地面,期望此舉可減少新一輪衛星審批的阻力。



SpaceX在本年4月時提出減緩反光的措施。 Image Credit: SpaceX


SATCON1就是在此背景下,6月尾連續4日在網上舉行。相關的科學、工程等專家及持分者,針對科學和技術層面而非政策,總結最新的資料研究。與會者分成4大工作小組研討,會後完成報告,並預告明年SATCON2要研究相關政策和規管措施。

報告中肯定衛星群嚴重影響天文研究(可見光和紅外線)和夜空,而且無法有效消除,並提出多項建議緩減人造衛星群的影響,當中最少6項首要考慮:

1. 減少或不發射(不必要的)低軌道衛星。

2. 安排衛星軌道高度至離地面600公里以下,減少反射陽光的時間和受影響範圍。

3. 把衛星「塗黑」或用太陽擋遮擋衛星反光部份,減少反光。

4. 控制衛星方向和姿勢以減少陽光反射到地球。

5. 以影象處理減少甚至消除衛星在相片的痕跡。

6. 製作更準確的衛星軌道資料,讓觀測者避免把望遠鏡指向衛星。

縱使做得到以上措施,也只不過有限減緩,衛星群橫越天空,還可能帶來其他潛在問題。科學界往往憑一分證據說一分話,有時等到確切的證據出現前,負面影響已漸漸浮現。早在數年前,多個界別已對此類項目提出關注。

射電研究已經為避開無線電波干擾,在多個遠離人煙的偏遠地方建立觀測站,面對製造地表無死角的無線網絡,建網後可能會出現前所未有干擾。

ESA已在兩年前表示數以萬計的衛星,會增加太空垃圾和安全風險,更提出一些處理方法。



Image Credit: NRAO/AUI/NSF; J. Hellerman


難得大氣層在保護地上生物時留下可見光和無線電波兩個窗口,無論觀察宇宙還是衛星通訊,都得依賴和好好利用。

正如SATCON1報告後段所言,是次研究開始良好一步,討論衛星群的影響等複雜問題,現時需要實行緩減措施和進一步研究。希望能促進多方合作及交流,達成有效的緩減,研究、發現、運用天空,共享這一塊自然瑰寶。


延伸閱讀:
SATCON1詳情及報告:
http://ow.ly/7PvT50B84AA
https://www.youtube.com/watch?v=VCyE8BNYIKM

國際天文聯盟(IAU)就巨型衛星群影響發出的新聞稿:
https://www.iau.org/news/pressreleases/detail/iau2001/
https://www.iau.org/news/announcements/detail/ann19035/

歐洲太空總署(ESA): Curbing space debris in the era of mega-constellations
https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_the_Future/
Discovery_and_Preparation/Curbing_space_debris_in_the_era_of_mega-constellations

nature: How satellite ‘megaconstellations’ will photobomb astronomy images
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02480-5

NRAO: Statement on Starlink and ‘Constellations’ of Communication Satellites
https://public.nrao.edu/news/nrao-statement-commsats/

天文導師
曾展鈞

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