來源：科學(xué)大院
北京時間 2022 年 2 月 9 日，美國 SpaceX 公司發(fā)布聲明，稱 "2 月 3 日發(fā)射的一個批次 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
（圖片來源：SpaceX.com）
由于該公司 CEO 馬斯克 " 自帶流量 "，該消息馬上在社會上引起熱議，太空愛好者紛紛轉(zhuǎn)載相關(guān)新聞。同時，這條消息也引起了空間環(huán)境相關(guān)專業(yè)人員的關(guān)注和疑慮：一個普通的小地磁暴真能一下摧毀 40 顆衛(wèi)星嗎？這次地磁暴對我國的天和空間站會有影響嗎？
中科院國家空間科學(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)公開消息，SpaceX 公司出于成本和測試等方面的考慮，采用的衛(wèi)星部署方式是：將星鏈衛(wèi)星發(fā)射至近地點 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 或更高運行軌道。
圖 2 星鏈衛(wèi)星飛行模式
（圖片來源：SpaceX.com）
圖 3 星鏈衛(wèi)星啟動推進(jìn)器
（圖片來源：SpaceX.com）
根據(jù) SpaceX 的官方說辭，這批 49 顆星鏈衛(wèi)星于世界時 2 月 3 日 18 時 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
（圖片來源：sepc.ac.cn，北京地磁臺站監(jiān)測）
經(jīng)過我們的觀測和計算確認(rèn)，這批星鏈衛(wèi)星在 210km 高度遭遇到了 Kp=5 級別的地磁暴，屬于低級別的地磁暴，但確實引起了星鏈衛(wèi)星軌道高度大氣密度一定程度的上升。此外，在衛(wèi)星高度下降的過程中，會遭遇越來越稠密的大氣。綜合來看，短時間內(nèi)衛(wèi)星受到的大氣阻力上升 50% 是合理的。
本次地磁暴對天和空間站的影響
近期，我國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量級。根據(jù)我國天和空間站大氣密度的實時監(jiān)測數(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%，而空間站軌道半長軸的衰減幅度從 90m/day 增加到 140m/day，對空間站軌道的影響不大。
不過，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，美國發(fā)射的天空實驗室（Skylab）隕落。1973 年天空實驗室發(fā)射初期，正處于太陽平靜時期，預(yù)計運行壽命為 10 年。但之后隨著頻繁太陽風(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驗室道飛行阻力加大，軌道迅速下降衰減，1979 年 7 月提前墜入大氣而隕落。
圖 5 美國第一個空間站—天空實驗室
( 圖片來源：百度百科 )
案例 2，1989 年 3 月強(qiáng)太陽風(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。美國空間監(jiān)測網(wǎng)跟蹤的幾千個空間目標(biāo)大部分失蹤。在這一事件中，美國太陽峰年衛(wèi)星（SMM）在整個事件期間高度下降 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？
是太陽爆發(fā)。
首先，根據(jù)科學(xué)衛(wèi)星對太陽黑子的監(jiān)測顯示，日面的大黑子活動區(qū) AR2936 爆發(fā)比較頻繁，在 1 月 30 日凌晨爆發(fā)的持續(xù)長時間的 M1 級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)星觀測到的 CME
（圖片來源：美國 soho 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)合成）
其次，對太陽日冕的監(jiān)測還顯示，日面上還存在一個冕洞，隨著太陽自轉(zhuǎn)，到 2 月 2 日也轉(zhuǎn)至日面中心附近。
圖 7 SDO 衛(wèi)星觀測到的冕洞
（圖片來源：美國 SDO 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)）
此外，在 1 月 29 日 -2 月 2 日，除了 M1 級耀斑，太陽的幾個黑子不斷有爆發(fā) C 級耀斑，此外暗條也時不時爆發(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，一個非常重要的現(xiàn)象是高層大氣密度上升對低軌道航天器的運行干擾。在發(fā)生地磁暴的同時，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
（作者自畫模擬圖）
結(jié)語
本次地磁暴只是一個非常普通的空間天氣事件，根據(jù)歷史觀測統(tǒng)計，小地磁暴平均每年有 54 天，太陽活動高年可達(dá) 126 天。目前，已經(jīng)進(jìn)入第 25 太陽活動周的第 3 年，未來幾年太陽活動水平逐步上升，太陽黑子逐漸增多，太陽爆發(fā)活動將更加頻繁，地磁暴將會頻繁發(fā)生。
圖 9 未來幾年太陽爆發(fā)將日益頻繁
（作者自畫）
雖然小地磁暴一般不會對航天活動產(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)對等多個方面統(tǒng)籌考慮，需要針對性、精細(xì)化的空間環(huán)境分析和預(yù)報支持，避免衛(wèi)星工作于可能影響成敗的空間環(huán)境 " 邊界 " 線上。
