來(lái)源：科學(xué)大院
北京時(shí)間 2022 年 2 月 9 日，美國(guó) SpaceX 公司發(fā)布聲明，稱(chēng) "2 月 3 日發(fā)射的一個(gè)批次 49 顆星鏈衛(wèi)星，有 40 顆因受地磁暴影響而已經(jīng)或?qū)⒁诖髿鈱訅嫐А?
圖 1 SpaceX 官網(wǎng)新聞
（圖片來(lái)源：SpaceX.com）
由于該公司 CEO 馬斯克 " 自帶流量 "，該消息馬上在社會(huì)上引起熱議，太空愛(ài)好者紛紛轉(zhuǎn)載相關(guān)新聞。同時(shí)，這條消息也引起了空間環(huán)境相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的關(guān)注和疑慮：一個(gè)普通的小地磁暴真能一下摧毀 40 顆衛(wèi)星嗎？這次地磁暴對(duì)我國(guó)的天和空間站會(huì)有影響嗎？
中科院國(guó)家空間科學(xué)中心的科學(xué)家們利用子午工程、中科網(wǎng)和天和空間站等空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)模型，分析了本次星鏈衛(wèi)星發(fā)射前后的空間環(huán)境變化以及星鏈衛(wèi)星軌道上的空間環(huán)境狀況，得到了以下結(jié)果。
本次事件期間的空間環(huán)境分析
根據(jù)公開(kāi)消息，SpaceX 公司出于成本和測(cè)試等方面的考慮，采用的衛(wèi)星部署方式是：將星鏈衛(wèi)星發(fā)射至近地點(diǎn) 210km 的高度，利用霍爾效應(yīng)電推進(jìn)器，將衛(wèi)星逐步升軌至 340km 或更高運(yùn)行軌道。
圖 2 星鏈衛(wèi)星飛行模式
（圖片來(lái)源：SpaceX.com）
圖 3 星鏈衛(wèi)星啟動(dòng)推進(jìn)器
（圖片來(lái)源：SpaceX.com）
根據(jù) SpaceX 的官方說(shuō)辭，這批 49 顆星鏈衛(wèi)星于世界時(shí) 2 月 3 日 18 時(shí) 13 分發(fā)射升空，第二天就受到地磁暴的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致使衛(wèi)星所在區(qū)域的大氣溫度上升，大氣密度增加。星載 GPS 顯示，衛(wèi)星受到的大氣阻力較發(fā)射前增加了 50%，許多衛(wèi)星很快因大氣阻力而脫離軌道。
圖 4 星鏈衛(wèi)星發(fā)射遭遇地磁暴
（圖片來(lái)源：sepc.ac.cn，北京地磁臺(tái)站監(jiān)測(cè)）
經(jīng)過(guò)我們的觀測(cè)和計(jì)算確認(rèn)，這批星鏈衛(wèi)星在 210km 高度遭遇到了 Kp=5 級(jí)別的地磁暴，屬于低級(jí)別的地磁暴，但確實(shí)引起了星鏈衛(wèi)星軌道高度大氣密度一定程度的上升。此外，在衛(wèi)星高度下降的過(guò)程中，會(huì)遭遇越來(lái)越稠密的大氣。綜合來(lái)看，短時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星受到的大氣阻力上升 50% 是合理的。
本次地磁暴對(duì)天和空間站的影響
近期，我國(guó)天和空間站軌道高度約為 380km。根據(jù)熱層大氣的分布規(guī)律，其密度隨高度是指數(shù)變化關(guān)系，隨著高度的增加，密度呈指數(shù)降低。因此，在 380km 高度的大氣密度比 210km 的大氣密度低約兩個(gè)量級(jí)。根據(jù)我國(guó)天和空間站大氣密度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本次地磁暴導(dǎo)致空間站軌道高度上大氣密度上升了約 11%，而空間站軌道半長(zhǎng)軸的衰減幅度從 90m/day 增加到 140m/day，對(duì)空間站軌道的影響不大。
不過(guò)，在世界航天史上，曾發(fā)生多次因高層大氣阻力加大而導(dǎo)致航天器提前隕落、跟蹤目標(biāo)消失的事例。
案例 1，美國(guó)發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室（Skylab）隕落。1973 年天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射初期，正處于太陽(yáng)平靜時(shí)期，預(yù)計(jì)運(yùn)行壽命為 10 年。但之后隨著頻繁太陽(yáng)風(fēng)暴的出現(xiàn)，導(dǎo)致地球大氣層被加熱后膨脹，處于的 400 公里近地軌道的天空實(shí)驗(yàn)室道飛行阻力加大，軌道迅速下降衰減，1979 年 7 月提前墜入大氣而隕落。
圖 5 美國(guó)第一個(gè)空間站—天空實(shí)驗(yàn)室
( 圖片來(lái)源：百度百科 )
案例 2，1989 年 3 月強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴。導(dǎo)致高層大氣密度劇增，其中 840 公里高度的大氣密度增加了 9 倍。美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)跟蹤的幾千個(gè)空間目標(biāo)大部分失蹤。在這一事件中，美國(guó)太陽(yáng)峰年衛(wèi)星（SMM）在整個(gè)事件期間高度下降 5 公里，從而提前隕落。
案例 3，2000 年 7 月巴士底事件大地磁暴。引起高層大氣密度劇增，導(dǎo)致國(guó)際空間站軌道下降了 15 公里。
事件的源頭
這次地磁暴事件的源頭是什么？
是太陽(yáng)爆發(fā)。
首先，根據(jù)科學(xué)衛(wèi)星對(duì)太陽(yáng)黑子的監(jiān)測(cè)顯示，日面的大黑子活動(dòng)區(qū) AR2936 爆發(fā)比較頻繁，在 1 月 30 日凌晨爆發(fā)的持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的 M1 級(jí)耀斑伴隨有朝向地球方向的日冕物質(zhì)拋射（CME）。
圖 6 SOHO 衛(wèi)星觀測(cè)到的 CME
（圖片來(lái)源：美國(guó) soho 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)合成）
其次，對(duì)太陽(yáng)日冕的監(jiān)測(cè)還顯示，日面上還存在一個(gè)冕洞，隨著太陽(yáng)自轉(zhuǎn)，到 2 月 2 日也轉(zhuǎn)至日面中心附近。
圖 7 SDO 衛(wèi)星觀測(cè)到的冕洞
（圖片來(lái)源：美國(guó) SDO 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)）
此外，在 1 月 29 日 -2 月 2 日，除了 M1 級(jí)耀斑，太陽(yáng)的幾個(gè)黑子不斷有爆發(fā) C 級(jí)耀斑，此外暗條也時(shí)不時(shí)爆發(fā)等，也可能伴隨噴發(fā)的日冕物質(zhì)拋射。
到了 2 月 2 日 -5 日，這些日冕物質(zhì)拋射和冕洞高速流攜帶的高速、高密度、強(qiáng)磁場(chǎng)的等離子體團(tuán)到達(dá)地球并與地球磁層發(fā)生相互作用，引發(fā)了地磁暴。
地磁暴期間，一個(gè)非常重要的現(xiàn)象是高層大氣密度上升對(duì)低軌道航天器的運(yùn)行干擾。在發(fā)生地磁暴的同時(shí)，受到地球南北極區(qū)上空焦耳加熱等的影響，極區(qū)大氣首先被加熱、膨脹上升，低層較密的大氣被帶到較高高度上，同時(shí)在大氣環(huán)流的共同作用下，引起全球高層大氣增溫，導(dǎo)致低軌道高度上的大氣密度的急劇增大，致使星鏈衛(wèi)星遭遇更大的阻力，引起軌道的快速衰減，最終造成了衛(wèi)星入軌失敗。
圖 8 星鏈衛(wèi)星軌道衰減
（作者自畫(huà)模擬圖）
結(jié)語(yǔ)
本次地磁暴只是一個(gè)非常普通的空間天氣事件，根據(jù)歷史觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，小地磁暴平均每年有 54 天，太陽(yáng)活動(dòng)高年可達(dá) 126 天。目前，已經(jīng)進(jìn)入第 25 太陽(yáng)活動(dòng)周的第 3 年，未來(lái)幾年太陽(yáng)活動(dòng)水平逐步上升，太陽(yáng)黑子逐漸增多，太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)將更加頻繁，地磁暴將會(huì)頻繁發(fā)生。
圖 9 未來(lái)幾年太陽(yáng)爆發(fā)將日益頻繁
（作者自畫(huà)）
雖然小地磁暴一般不會(huì)對(duì)航天活動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但本次星鏈?zhǔn)录砻鳎瑥娜蝿?wù)約束、成本、必要的冗余、影響應(yīng)對(duì)等多個(gè)方面統(tǒng)籌考慮，需要針對(duì)性、精細(xì)化的空間環(huán)境分析和預(yù)報(bào)支持，避免衛(wèi)星工作于可能影響成敗的空間環(huán)境 " 邊界 " 線(xiàn)上。
