◎科技日報記者 唐芳
近日，美國太空探索技術公司（SpaceX）官方網站釋出消息稱，由于遭遇地磁暴，該公司2月3日發射的49顆星鍊衛星中，多達40顆衛星于次日已經或将要墜入大氣層損毀。該公司強調，這些脫軌衛星與其他衛星相撞的風險為“零”。
資料圖：“獵鷹9”火箭發射升空。新華社發（美國太空探索技術公司供圖）
中國科學院國家空間科學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，本批次發射的星鍊衛星已有5顆确認墜毀，10餘顆仍在軌運作，其餘衛星情況還不明朗。
“這些脫軌衛星與其他衛星碰撞的幾率比較低，但說風險為‘零’有些絕對。”中國科學技術大學地球和空間科學學院教授雷久侯對科技日報記者表示，如果近段時間發射衛星，還是需要規避經過失控衛星的空域。
約210公裡軌道高度，“星鍊”衛星遭遇最低級别地磁暴
什麼是地磁暴？羅冰顯解釋，太陽風到達地球，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，地磁暴發生次數更多，級别也更高。
“這次星鍊衛星損毀事件期間遇到的地磁暴，屬于最低級别的地磁暴。”羅冰顯告訴科技日報記者，通常使用地磁Kp指數來表征地磁擾動的強弱，Kp指數劃分為0到9級，Kp=5表示發生了低級别地磁暴。空間天氣監測顯示，當地時間2月4日，這批星鍊衛星在約210公裡處遭遇了Kp=5級别的地磁暴。
“這種級别的地磁暴，從1957年到現在，平均每年發生50多天。在太陽活動高年，一年發生120多天。”羅冰顯說，低級别地磁暴對于普通在軌衛星影響不大，基本可控。
Kp=9是強地磁暴，地球輻射環境、大氣環境都會發生劇烈變化，相關機構會針對強地磁暴做出相應的預警、防護和規避措施。
談及這次地磁暴的産生原理和過程，雷久侯說，伴随太陽表面的爆發，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）以及從太陽日冕抛射出的高速等離子體雲。
圖源：視覺中國
“這次星鍊衛星事件，是由1月29日太陽的M級耀斑，伴随1月30日的中等強度的日冕抛射物質事件引起。”雷久侯接着說，太陽風攜帶的等離子體團，2月3日到達地球附近後，與地球磁場互相作用，通過壓縮地球磁層頂、以及發生磁場重聯等過程，引起地球空間的磁層及環電流系統産生劇烈擾動，進而産生地磁暴。
專家：地磁暴隻是誘因，損毀或禍起“衛星推進政策”
埃隆·馬斯克及其企業雖在太空探索領域有諸多創新和突破，但其2014年提出的“星鍊”計劃廣受非議。該項目原計劃向太空發射1.2萬顆衛星，但該公司已獲準再建造約3萬顆衛星，可能使衛星總數增加至4.2萬顆。據報道，截至2021年12月底，該公司已經發射了近1900顆衛星。
“ ‘天災’跟‘人禍’綜合到一起了。”據雷久侯分析，這次星鍊衛星事件是遭遇地磁暴而引起地球大氣受到加熱，使得衛星阻力增加而不能升軌導緻。不過，雷久侯指出，這些衛星受損可能主要還是衛星推進政策以及衛星設計導緻，大氣阻力升高隻是一個誘因。
據了解，星鍊衛星運作在500公裡軌道附近，傾角約55度。為何這次卻在210公裡軌道高度栽了跟頭？
羅冰顯指出，本批次發射的星鍊衛星的推進政策是，先用火箭将衛星送入210公裡的預定軌道，再用電推進器将衛星送往更高處。然而衛星停留在210公裡時遭遇地磁暴。
“衛星處于210公裡的軌道，此時采用電推進方式，大氣阻力與推進力可能大體相當。但是這次地磁暴導緻大氣阻力增強，推進作用失效。除此之外，衛星設計上，其進入安全模式回不了升軌狀态。”雷久侯說。
美國太空探索技術公司稱，2月4日發生的一場地磁暴對這些衛星造成嚴重影響，使衛星所在區域的大氣變暖，密度增加，衛星受到的大氣阻力比以往發射時的水準增加高達50%。
羅冰顯分析了這一資料的合理性。“經過計算和觀測确認，這次地磁暴引起了大氣密度的上升。此外，在衛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，短時間内衛星受到的大氣阻力上升50%是合理的。”他說。
在雷久侯看來，如果一開始就将衛星送到更高軌道，即使遇到更強的地磁暴，甚至強很多倍的擾動，也不會引起衛星快速損毀。他補充道，一般衛星都會推到更高軌道，不會停靠在210公裡高度。因為，大氣密度随高度指數衰減，軌道擡升100公裡，大氣阻力要低1-2個數量級，400-500公裡軌道高度的大氣阻力相對較小。
“這些星鍊脫軌衛星從約210公裡往下墜毀，重新進入大氣層後會燃燒殆盡，不會産生太空碎片，也不會有衛星零部件撞擊地球表面。”羅冰顯說。
對于脫軌星鍊衛星的風險問題，雷久侯表示，這些衛星處于約210公裡的低軌道高度，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星駐留，因而相碰撞的幾率也比較低。
地磁暴對人造衛星的影響有多大？
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，衛星軌道附近的大氣密度增加，使得衛星阻力增強。
另外，還有其他很多影響，比如大氣成分改變，大氣的環流改變，相對應的區域由大氣電離的等離子體，通常說的電離層也會發生劇烈變化，影響衛星和地面通訊。
值得強調的是，地磁暴期間，保護地球的磁場結構會發生改變，很多處在更高軌道的衛星，比如同步衛星，就會暴露于不同磁場和等離子環境，進而受到高能粒子的直接攻擊，甚至導緻一些衛星器件失效。
羅冰顯對記者說，強大的太陽爆發事件可能導緻強烈的地磁暴，并影響軌道上的衛星或地面上的基礎設施，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，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過載，導緻該地區出現大範圍的斷電事故，持續了9-12個小時。另據報道，幾乎同一時期，美國空間目标跟蹤系統上千個目标需要重新定位，新發射飛行物的跟蹤辨認困難。
來源：科技日報
編輯：王宇
稽核：嶽靓
終審：何屹