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北京时间2022年2月9日，美国SpaceX公司发布声明，称“2月3日发射的一个批次49颗星链卫星，有40颗因受地磁暴影响而已经或将要在大气层坠毁。”
图1 SpaceX官网新闻
（图片来源：SpaceX.com）
由于该公司CEO马斯克“自带流量”，该消息马上在社会上引起热议，太空爱好者纷纷转载相关新闻。同时，这条消息也引起了空间环境相关专业人员的关注和疑虑：一个普通的小地磁暴真能一下摧毁40颗卫星吗？这次地磁暴对我国的天和空间站会有影响吗？
中科院国家空间科学中心的科学家们利用子午工程、中科网和天和空间站等空间环境监测数据和相关模型，分析了本次星链卫星发射前后的空间环境变化以及星链卫星轨道上的空间环境状况，得到了以下结果。
本次事件期间的空间环境分析
根据公开消息，SpaceX公司出于成本和测试等方面的考虑，采用的卫星部署方式是：将星链卫星发射至近地点210km的高度，利用霍尔效应电推进器，将卫星逐步升轨至340km或更高运行轨道。
图2 星链卫星飞行模式
（图片来源：SpaceX.com）
图3 星链卫星启动推进器
（图片来源：SpaceX.com）
根据SpaceX的官方说辞，这批49颗星链卫星于世界时2月3日18时13分发射升空，第二天就受到地磁暴的严重影响，导致使卫星所在区域的大气温度上升，大气密度增加。星载GPS显示，卫星受到的大气阻力较以往发射增加了50%，许多卫星很快因大气阻力而脱离轨道。
图4 星链卫星发射遭遇地磁暴
（图片来源：sepc.ac.cn，北京地磁台站监测）
经过我们的观测和计算确认，这批星链卫星在210km高度遭遇到了Kp=5级别的地磁暴，属于低级别的地磁暴，但确实引起了星链卫星轨道高度大气密度一定程度的上升。此外，在卫星高度下降的过程中，会遭遇越来越稠密的大气。综合来看，短时间内卫星受到的大气阻力上升50%是合理的。
本次地磁暴对天和空间站的影响
近期，我国天和空间站轨道高度约为380km。根据热层大气的分布规律，其密度随高度是指数变化关系，随着高度的增加，密度呈指数降低。因此，在380km高度的大气密度比210km的大气密度低约两个量级。根据我国天和空间站大气密度的实时监测数据，本次地磁暴导致空间站轨道高度上大气密度上升了约11%，而空间站轨道半长轴的衰减幅度从90m/day增加到140m/day，对空间站轨道的影响不大。
不过，在世界航天史上，曾发生多次因高层大气阻力加大而导致航天器提前陨落、跟踪目标消失的事例。
案例1，美国发射的天空实验室（Skylab）陨落。1973年天空实验室发射初期，正处于太阳平静时期，预计运行寿命为10年。但之后随着频繁太阳风暴的出现，导致地球大气层被加热后膨胀，处于的400公里近地轨道的天空实验室道飞行阻力加大，轨道迅速下降衰减，1979年7月提前坠入大气而陨落。
图5 美国第一个空间站—天空实验室
(图片来源：百度百科)
案例2，1989年3月强太阳风暴。导致高层大气密度剧增，其中840公里高度的大气密度增加了9倍。美国空间监测网跟踪的几千个空间目标大部分失踪。在这一事件中，美国太阳峰年卫星（SMM）在整个事件期间高度下降5公里，从而提前陨落。
案例3，2000年7月巴士底事件大地磁暴。引起高层大气密度剧增，导致国际空间站轨道下降了15公里。
事件的源头
这次地磁暴事件的源头是什么？
是太阳爆发。
首先，根据科学卫星对太阳黑子的监测显示，日面的大黑子活动区AR2936爆发比较频繁，在1月30日凌晨爆发的持续长时间的M1级耀斑伴随有朝向地球方向的日冕物质抛射（CME）。
图6 SOHO卫星观测到的CME
（图片来源：美国soho卫星图像数据合成）
其次，对太阳日冕的监测还显示，日面上还存在一个冕洞，随着太阳自转，到2月2日也转至日面中心附近。
图7 SDO卫星观测到的冕洞
（图片来源：美国SDO卫星图像数据）
此外，在1月29日-2月2日，除了M1级耀斑，太阳的几个黑子不断有爆发C级耀斑，此外暗条也时不时爆发等，也可能伴随喷发的日冕物质抛射。
到了2月2日-5日，这些日冕物质抛射和冕洞高速流携带的高速、高密度、强磁场的等离子体团到达地球并与地球磁层发生相互作用，引发了地磁暴。
地磁暴期间，一个非常重要的现象是高层大气密度上升对低轨道航天器的运行干扰。在发生地磁暴的同时，受到地球南北极区上空焦耳加热等的影响，极区大气首先被加热、膨胀上升，低层较密的大气被带到较高高度上，同时在大气环流的共同作用下，引起全球高层大气增温，导致低轨道高度上的大气密度的急剧增大，致使星链卫星遭遇更大的阻力，引起轨道的快速衰减，最终造成了卫星入轨失败。
图8 星链卫星轨道衰减
（作者自画模拟图）
结语
本次地磁暴只是一个非常普通的空间天气事件，根据历史观测统计，小地磁暴平均每年有54天，太阳活动高年可达126天。目前，已经进入第25太阳活动周的第3年，未来几年太阳活动水平逐步上升，太阳黑子逐渐增多，太阳爆发活动将更加频繁，地磁暴将会频繁发生。
图9 未来几年太阳爆发将日益频繁
（作者自画）
虽然小地磁暴一般不会对航天活动产生严重影响，但本次星链事件表明，从任务约束、成本、必要的冗余、影响应对等多个方面统筹考虑，需要针对性、精细化的空间环境分析和预报支持，避免卫星工作于可能影响成败的空间环境“边界”线上。
作者单位：中国科学院国家空间科学中心
来源：科学大院
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