Atmospheric Light Pollution by Proposed Reflect Orbital Space Mirrors

夜空的新邻居

想象一下，夜空就像一幅横跨宇宙的巨大天鹅绒幕布，上面点缀着数千年来指引着我们的闪烁星辰。在人类历史上大部分时间里，唯一能刺破这片黑暗的是月亮、太阳（当它升起时）以及偶尔闪现的闪电。但科学的本质始终在于仰望星空并追问：“如果……会怎样？”这个问题存在于天文学和大气物理学这两个领域——前者研究恒星，后者研究我们呼吸的空气。这里的一个核心概念是光散射。想象阳光照射在一杯牛奶上：光线并不仅仅是直穿而过，而是从牛奶中的微小颗粒上反射，使整杯牛奶发出光芒。同样的情况也发生在我们的大气层中，当阳光撞击空气分子或尘埃时，便产生了我们白天看到的蓝天。另一个概念是反照率，这只是一个形容物体表面有多闪亮或多具反射性的专业术语。一片崭新的白色雪地具有高反照率（它反射大部分光线），而一条黑色沥青路则具有低反照率（它吸收光线）。

这为什么与你有关？因为夜空正在发生变化。我们已经增加了数以千计的有人造卫星，它们反射阳光，形成了可能破坏观星体验的光迹。但如果有人提议将夜空变成一个巨大的、移动的聚光灯呢？这就是本文要探讨的问题。这不仅仅关乎我们是否能看到一颗新星，更关乎我们是否还能看到那些古老的星辰。如果我们开始用人造光涂抹黑夜，我们可能会失去那扇让我们观测宇宙的自然之窗，将窗户变成一面镜子。

巨型太空镜实验

一家名为 Reflect Orbital 的初创公司有一个疯狂的想法：向太空发射一群巨大的漂浮镜面，将阳光照射回地球，从而有效地在夜晚创造出人工白昼。他们的计划始于一颗小型测试卫星，其镜面大小约为一个大型客厅（18 × 18 米），但他们的最终目标是一个由大约 50,000 面巨大的镜子（每面 54 × 54 米）组成的庞大星座。其构想是照亮地面上一个半径约 2.5 公里（1.5 英里）的特定区域，使其亮度足以让人在没有路灯的情况下阅读书籍或安全行走。

但在任何人发射这些镜子之前，一组科学家提出了一个关键问题：天空的其他部分会发生什么？他们运行了详细的计算机模拟，以观察这束光如何与我们的大气层相互作用。他们不仅观察了地面上的光斑，还观察了上方整个天空的情况。

天空中的镜子
研究人员发现，如果你直接站在其中一面 54 米巨型镜子的下方，它看起来会极其明亮。事实上，它看起来会像一个星等为 -16.7 的光点。为了让你有个直观的概念，满月的星等约为 -12.7。这意味着这面镜子会比满月亮约 4 个星等，或者说大约是满亮的 40 倍。它向下照射的强度约为 9.5 勒克斯（lux），这与典型路灯的亮度水平相当。如果你站在那个 2.5 公里的圆圈内，夜晚的感觉会像是在日落后不久的极亮黄昏。天空会非常明亮，以至于连最亮的恒星也会变得不可见。这就像是在强力泛光灯下试图寻找萤火虫一样。

光束之外的辉光
这项研究最令人惊讶的部分是光束范围之外会发生什么。光线并不会止步于被照亮的区域边缘。当光束撞击地面时，部分光线会反射回来（取决于地面的反射程度——雪地比泥土更具反射性）。这些光线连同原始光束一起，撞击天空中的空气分子和尘埃颗粒，并向四面八方散射。

科学家们模拟了这种散射过程，并发现单面镜子产生的“辉光”在很远的地方都能被看到。

• 在 14 公里（约 9 英里）外： 天空看起来会像刚过黄昏时的样子。天空会非常明亮，以至于你看不到星星。整个天空会被冲刷掉色彩，类似于你在城市上空看到的辉光，但这是由一颗太空中的镜子引起的。
• 在 34 公里（约 21 英里）外： 即便是在这么远的地方，朝向镜子的那一侧的天空看起来仍会比普通的月光夜晚更亮。它看起来会像一根巨大的、发光的柱状光束直插云霄。
• “雪”的影响因素： 如果地面被雪覆盖，效果会更糟。雪具有极高的反照率（高反射性），因此会将更多的光反射回大气层，使辉光扩散得更远。在有雪的情况下，即使在距离达 30 公里的地方，天空看起来也可能比满月之夜还要亮。

如果使用数百面镜子会怎样？
论文还研究了一种“最坏情况”：400 面这样的镜子同时照射在同一个位置。在这种情况下，组合后的光照强度约为 2,400 勒克斯——大约是满月亮度的 10,000 倍。这足以驱动太阳能电池板（通常需要约 22 W/m² 才能开始工作）。天空将被完全冲刷掉，使黑夜变成永恒的、明亮的薄暮。

结论
作者得出结论，虽然从太空照明地球在技术上是可行的，但这对我们夜空的环境代价是巨大的。即使是单面镜子也会产生延伸数十公里的光污染，使得该范围内的任何人都无法辨认夜空并看不见星星。该研究假设是在晴朗无云的天气下进行的，这实际上是保持光线受控的“最佳情况”。如果有云层，光线会散射得更加严重，可能导致辉光在更远的距离也能被看到。

简而言之，这些模拟表明，利用太空镜面将黑夜变为白昼，代价将是失去夜空本身。恒星将会消失，取而代之的是一种延伸至预期目标之外的永久性人工辉光。