來源：科學大院
北京時間 2022 年 2 月 9 日，美國 SpaceX 公司發布聲明，稱 "2 月 3 日發射的一個批次 49 顆星鏈衛星，有 40 顆因受地磁暴影響而已經或將要在大氣層墜毀。"
圖 1 SpaceX 官網新聞
（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，太空愛好者紛紛轉載相關新聞。同時，這條消息也引起了空間環境相關專業人員的關注和疑慮：一個普通的小地磁暴真能一下摧毀 40 顆衛星嗎？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中心的科學家們利用子午工程、中科網和天和空間站等空間環境監測數據和相關模型，分析了本次星鏈衛星發射前后的空間環境變化以及星鏈衛星軌道上的空間環境狀況，得到了以下結果。
本次事件期間的空間環境分析
根據公開消息，SpaceX 公司出于成本和測試等方面的考慮，采用的衛星部署方式是：將星鏈衛星發射至近地點 210km 的高度，利用霍爾效應電推進器，將衛星逐步升軌至 340km 或更高運行軌道。
圖 2 星鏈衛星飛行模式
（圖片來源：SpaceX.com）
圖 3 星鏈衛星啟動推進器
（圖片來源：SpaceX.com）
根據 SpaceX 的官方說辭，這批 49 顆星鏈衛星于世界時 2 月 3 日 18 時 13 分發射升空，第二天就受到地磁暴的嚴重影響，導致使衛星所在區域的大氣溫度上升，大氣密度增加。星載 GPS 顯示，衛星受到的大氣阻力較發射前增加了 50%，許多衛星很快因大氣阻力而脫離軌道。
圖 4 星鏈衛星發射遭遇地磁暴
（圖片來源：sepc.ac.cn，北京地磁臺站監測）
經過我們的觀測和計算確認，這批星鏈衛星在 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星軌道高度大氣密度一定程度的上升。此外，在衛星高度下降的過程中，會遭遇越來越稠密的大氣。綜合來看，短時間內衛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。根據熱層大氣的分布規律，其密度隨高度是指數變化關系，隨著高度的增加，密度呈指數降低。因此，在 380km 高度的大氣密度比 210km 的大氣密度低約兩個量級。根據我國天和空間站大氣密度的實時監測數據，本次地磁暴導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，曾發生多次因高層大氣阻力加大而導致航天器提前隕落、跟蹤目標消失的事例。
案例 1，美國發射的天空實驗室（Skylab）隕落。1973 年天空實驗室發射初期，正處于太陽平靜時期，預計運行壽命為 10 年。但之后隨著頻繁太陽風暴的出現，導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 月強太陽風暴。導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。美國空間監測網跟蹤的幾千個空間目標大部分失蹤。在這一事件中，美國太陽峰年衛星（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。
首先，根據科學衛星對太陽黑子的監測顯示，日面的大黑子活動區 AR2936 爆發比較頻繁，在 1 月 30 日凌晨爆發的持續長時間的 M1 級耀斑伴隨有朝向地球方向的日冕物質拋射（CME）。
圖 6 SOHO 衛星觀測到的 CME
（圖片來源：美國 soho 衛星圖像數據合成）
其次，對太陽日冕的監測還顯示，日面上還存在一個冕洞，隨著太陽自轉，到 2 月 2 日也轉至日面中心附近。
圖 7 SDO 衛星觀測到的冕洞
（圖片來源：美國 SDO 衛星圖像數據）
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 C 級耀斑，此外暗條也時不時爆發等，也可能伴隨噴發的日冕物質拋射。
到了 2 月 2 日 -5 日，這些日冕物質拋射和冕洞高速流攜帶的高速、高密度、強磁場的等離子體團到達地球并與地球磁層發生相互作用，引發了地磁暴。
地磁暴期間，一個非常重要的現象是高層大氣密度上升對低軌道航天器的運行干擾。在發生地磁暴的同時，受到地球南北極區上空焦耳加熱等的影響，極區大氣首先被加熱、膨脹上升，低層較密的大氣被帶到較高高度上，同時在大氣環流的共同作用下，引起全球高層大氣增溫，導致低軌道高度上的大氣密度的急劇增大，致使星鏈衛星遭遇更大的阻力，引起軌道的快速衰減，最終造成了衛星入軌失敗。
圖 8 星鏈衛星軌道衰減
（作者自畫模擬圖）
結語
本次地磁暴只是一個非常普通的空間天氣事件，根據歷史觀測統計，小地磁暴平均每年有 54 天，太陽活動高年可達 126 天。目前，已經進入第 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，太陽爆發活動將更加頻繁，地磁暴將會頻繁發生。
圖 9 未來幾年太陽爆發將日益頻繁
（作者自畫）
雖然小地磁暴一般不會對航天活動產生嚴重影響，但本次星鏈事件表明，從任務約束、成本、必要的冗余、影響應對等多個方面統籌考慮，需要針對性、精細化的空間環境分析和預報支持，避免衛星工作于可能影響成敗的空間環境 " 邊界 " 線上。
