49顆“星鏈”衛(wèi)星遭遇地磁暴，都是太陽惹的禍？

◎ 科技日報記者 唐芳

近日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）官方網(wǎng)站發(fā)布消息稱，由于遭遇地磁暴，該公司2月3日發(fā)射的49顆星鏈衛(wèi)星中，多達40顆衛(wèi)星于次日已經(jīng)或?qū)⒁獕嬋氪髿鈱訐p毀。該公司強調(diào)，這些脫軌衛(wèi)星與其他衛(wèi)星相撞的風(fēng)險為“零”。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員羅冰顯對科技日報記者表示，截至2月12日，公開資料顯示，本批次發(fā)射的星鏈衛(wèi)星已有5顆確認墜毀，10余顆仍在軌運行，其余衛(wèi)星情況還不明朗。

“這些脫軌衛(wèi)星與其他衛(wèi)星碰撞的幾率比較低，但說風(fēng)險為‘零’有些絕對。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授雷久侯對科技日報記者表示，如果近段時間發(fā)射衛(wèi)星，還是需要規(guī)避經(jīng)過失控衛(wèi)星的空域。

約210公里軌道高度，“星鏈”衛(wèi)星遭遇最低級別地磁暴

什么是地磁暴？羅冰顯解釋，太陽風(fēng)到達地球，帶來地球磁場的擾動，如果擾動劇烈，就是地磁暴。太陽活動高年，地磁暴發(fā)生次數(shù)更多，級別也更高。

“這次星鏈衛(wèi)星損毀事件期間遇到的地磁暴，屬于最低級別的地磁暴。”羅冰顯告訴科技日報記者，通常使用地磁Kp指數(shù)來表征地磁擾動的強弱，Kp指數(shù)劃分為0到9級，Kp=5表示發(fā)生了低級別地磁暴?？臻g天氣監(jiān)測顯示，當?shù)貢r間2月4日，這批星鏈衛(wèi)星在約210公里處遭遇了Kp=5級別的地磁暴。

“這種級別的地磁暴，從1957年到現(xiàn)在，平均每年發(fā)生50多天。在太陽活動高年，一年發(fā)生120多天。”羅冰顯說，低級別地磁暴對于普通在軌衛(wèi)星影響不大，基本可控。

Kp=9是強地磁暴，地球輻射環(huán)境、大氣環(huán)境都會發(fā)生劇烈變化，相關(guān)機構(gòu)會針對強地磁暴做出相應(yīng)的預(yù)警、防護和規(guī)避措施。

談及這次地磁暴的產(chǎn)生原理和過程，雷久侯說，伴隨太陽表面的爆發(fā)，一般地球會受到三輪攻擊：電磁輻射增強（耀斑，8分鐘左右達到地球）、高能粒子流（1小時左右到達地球）以及從太陽日冕拋射出的高速等離子體云。

“這次星鏈衛(wèi)星事件，是由1月29日太陽的M級耀斑，伴隨1月30日的中等強度的日冕拋射物質(zhì)事件引起。”雷久侯接著說，太陽風(fēng)攜帶的等離子體團，2月3日到達地球附近后，與地球磁場相互作用，通過壓縮地球磁層頂、以及發(fā)生磁場重聯(lián)等過程，引起地球空間的磁層及環(huán)電流系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈擾動，從而產(chǎn)生地磁暴。

專家：地磁暴只是誘因，損毀或禍起“衛(wèi)星推進策略”

埃隆·馬斯克及其企業(yè)雖在太空探索領(lǐng)域有諸多創(chuàng)新和突破，但其2014年提出的“星鏈”計劃廣受非議。該項目原計劃向太空發(fā)射1.2萬顆衛(wèi)星，但該公司已獲準再建造約3萬顆衛(wèi)星，可能使衛(wèi)星總數(shù)增加至4.2萬顆。據(jù)報道，截至2021年12月底，該公司已經(jīng)發(fā)射了近1900顆衛(wèi)星。

“ ‘天災(zāi)’跟‘人禍’綜合到一起了?！睋?jù)雷久侯分析，這次星鏈衛(wèi)星事件是遭遇地磁暴而引起地球大氣受到加熱，使得衛(wèi)星阻力增加而不能升軌導(dǎo)致。不過，雷久侯指出，這些衛(wèi)星受損可能主要還是衛(wèi)星推進策略以及衛(wèi)星設(shè)計導(dǎo)致，大氣阻力升高只是一個誘因。

據(jù)了解，星鏈衛(wèi)星運行在500公里軌道附近，傾角約55度。為何這次卻在210公里軌道高度栽了跟頭？

羅冰顯指出，本批次發(fā)射的星鏈衛(wèi)星的推進策略是，先用火箭將衛(wèi)星送入210公里的預(yù)定軌道，再用電推進器將衛(wèi)星送往更高處。然而衛(wèi)星停留在210公里時遭遇地磁暴。

“衛(wèi)星處于210公里的軌道，此時采用電推進方式，大氣阻力與推進力可能大體相當。但是這次地磁暴導(dǎo)致大氣阻力增強，推進作用失效。除此之外，衛(wèi)星設(shè)計上，其進入安全模式回不了升軌狀態(tài)?！崩拙煤钫f。

美國太空探索技術(shù)公司稱，2月4日發(fā)生的一場地磁暴對這些衛(wèi)星造成嚴重影響，使衛(wèi)星所在區(qū)域的大氣變暖，密度增加，衛(wèi)星受到的大氣阻力比以往發(fā)射時的水平增加高達50%。

羅冰顯分析了這一數(shù)據(jù)的合理性?！敖?jīng)過計算和觀測確認，這次地磁暴引起了大氣密度的上升。此外，在衛(wèi)星受大氣阻力而高度下降的過程中，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?！彼f。

在雷久侯看來，如果一開始就將衛(wèi)星送到更高軌道，即使遇到更強的地磁暴，甚至強很多倍的擾動，也不會引起衛(wèi)星快速損毀。他補充道，一般衛(wèi)星都會推到更高軌道，不會停靠在210公里高度。因為，大氣密度隨高度指數(shù)衰減，軌道抬升100公里，大氣阻力要低1-2個數(shù)量級，400-500公里軌道高度的大氣阻力相對較小。

“這些星鏈脫軌衛(wèi)星從約210公里往下墜毀，重新進入大氣層后會燃燒殆盡，不會產(chǎn)生太空碎片，也不會有衛(wèi)星零部件撞擊地球表面?！绷_冰顯說。

對于脫軌星鏈衛(wèi)星的風(fēng)險問題，雷久侯表示，這些衛(wèi)星處于約210公里的低軌道高度，所受的阻力比較大，能維持的壽命比較短，在無控制的情況下，估計十幾天或更長的時間會在隕落過程中基本燃燒殆盡。此外，這個軌道很少有其他衛(wèi)星駐留，因而相碰撞的幾率也比較低。

地磁暴對人造衛(wèi)星的影響有多大？

雷久侯表示，地磁暴期間，來自太陽的高能粒子沉降和（電流）焦耳加熱，這時在極區(qū)容易看到極光活動增強，同時會引起全球高層大氣溫度增加。大氣膨脹，衛(wèi)星軌道附近的大氣密度增加，使得衛(wèi)星阻力增強。

另外，還有其他很多影響，比如大氣成分改變，大氣的環(huán)流改變，相對應(yīng)的區(qū)域由大氣電離的等離子體，通常說的電離層也會發(fā)生劇烈變化，影響衛(wèi)星和地面通訊。

值得強調(diào)的是，地磁暴期間，保護地球的磁場結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，很多處在更高軌道的衛(wèi)星，比如同步衛(wèi)星，就會暴露于不同磁場和等離子環(huán)境，從而受到高能粒子的直接攻擊，甚至導(dǎo)致一些衛(wèi)星器件失效。

羅冰顯對記者說，強大的太陽爆發(fā)事件可能導(dǎo)致強烈的地磁暴，并影響軌道上的衛(wèi)星或地面上的基礎(chǔ)設(shè)施，比如在20世紀就有兩個著名例子。

1979年，美國的“天空實驗室”（Skylab）在軌期間處于太陽活動高年，由于多次地磁暴的累積效應(yīng)，地球大氣層的膨脹使得“天空實驗室”受到的大氣阻力劇增，軌道加快衰減，“天空實驗室”比預(yù)期更快墜入大氣層燒毀。

1989年，一場地磁暴使得加拿大魁北克省的電網(wǎng)過載，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)大范圍的斷電事故，持續(xù)了9-12個小時。另據(jù)報道，幾乎同一時期，美國空間目標跟蹤系統(tǒng)上千個目標需要重新定位，新發(fā)射飛行物的跟蹤辨認困難。

來源：科技日報

編輯：王宇

審核：岳靚

終審：何屹