马斯克的星链卫星，正被太阳“吹”得加速坠落

当埃隆·马斯克雄心勃勃地在太空中部署数千颗星链卫星，计划为地球上每个角落提供高速互联网服务时，他或许没有完全预料到一些来自太阳的小麻烦会给这个庞大的卫星网络带来如此大的挑战。最近，一份由美国马里兰大学和美国航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）戈达德太空飞行中心的联合团队发布的一项研究指出，由于当前太阳活动加剧，星链卫星正在比预期更快地坠入地球大气层。

研究团队通过分析 2020 年至 2024 年间 523 颗星链卫星的轨道数据，发现了一个令人担忧的趋势：在强烈的地磁风暴期间，这些卫星重返地球大气层的速度远超预期。研究人员表示：“我们的结果无可争议地表明，地磁活动越强，卫星重返的速度就越快。”

具体而言，研究发现在轨道高度低于 300 公里的卫星，在遭遇地磁风暴时，会比正常预期提前 10 天坠落燃烧。这个时间差看似不长，但对于需要精确轨道管理和任务规划的卫星运营商来说，却是一个不容忽视的挑战。更令人担忧的是，随着地磁活动的增强，卫星重返时间的预测误差也会显著增加，预测误差与地磁活动强度之间存在强烈的负相关关系，相关系数达到约 -0.87。

这种理论上的风险在 2022 年 2 月变成了现实。当时，SpaceX 发射了 49 颗星链卫星，计划让它们从较低的部署轨道（约 210 公里）提升到运行轨道。然而，恰好在发射后不久，一场中等强度的地磁风暴袭击了地球。这场风暴导致大气密度增加了近 50%，使得新发射的卫星面临比预期高得多的大气阻力。由于卫星尚未完全展开太阳能电池板并启动推进器，它们无法产生足够的推力来对抗增强的阻力。结果，49 颗卫星中的大部分都在加勒比海上空提前坠毁，损失估计达数千万美元。而此次 NASA 团队的研究，则是在更长的时间尺度上，用数百个案例系统性地证实了这种风险的普遍性和严重性。

而要理解这个现象背后的原因，我们需要了解两件事：一是太阳的活动规律，二是星链卫星自身的特点。

太阳并不是一颗永远温和的恒星，它有大约 11 年为一个周期的“情绪波动”，被称为太阳活动周期。在活动高峰期，太阳表面的黑子、耀斑和日冕物质抛射会变得异常频繁。这些活动会向太空喷射出大量高能粒子，当它们抵达地球时，便会引发地磁风暴。

地磁风暴除了制造美丽的极光，还会实实在在地影响地球的高层大气。它会加热并“吹胀”地球的热层，导致这一区域的大气密度增加，从而给运行在其中的卫星带来更大的空气阻力。研究团队发现，当太阳活动加剧时，热层中的焦耳加热效应会显著增强。这种加热机制是由于太阳风中的带电粒子与地球磁层相互作用，在电离层中产生强烈的电流，这些电流与热层中的中性原子和分子发生碰撞，将动能转化为热能。结果是热层变得更加稠密，并向卫星运行的高度膨胀，给卫星带来意想不到的阻力。

星链卫星之所以特别容易受到这种影响，与其独特的轨道设计密切相关。为了减少信号延迟并降低发射成本，SpaceX 将大部分星链卫星部署在相对较低的轨道上，通常在 550 公里左右的高度。虽然这个高度仍然处于太空中，但它恰好位于地球大气层的边缘区域，在这里大气虽然极其稀薄，但仍然存在并会对卫星产生阻力。

这种设计选择本来是有其优势的。较低的轨道意味着更强的信号强度、更低的延迟，以及更小的卫星覆盖区域，从而可以实现更精确的频谱重用。然而，它也使得这些卫星更容易受到大气阻力变化的影响。研究数据显示，在正常的太阳活动条件下，星链卫星的轨道衰减率约为每天几公里。但在强烈的地磁风暴期间，这个数字可能会急剧上升，有些情况下达到每天 95 公里的衰减率。

使这一问题更加复杂的是，我们目前正处于第 25 个太阳周期的上升阶段，而这个周期表现出比前一个周期更强的活动水平。自 2020 年以来，太阳活动一直在稳步增加，预计将在 2025 年左右达到峰值。这种时间上的巧合使得星链卫星面临着前所未有的挑战。研究期间（2020-2024 年）恰好与本次太阳周期的上升阶段重合，这为科学家们提供了一个独特的机会来观察太阳活动对大规模卫星星座的影响，但同时也让 SpaceX 承受了意想不到的运营压力。

而星链卫星加速坠落，其影响远不止于 SpaceX 一家公司。它反映了整个航天产业在进入“巨型星座时代”后，所必须面对的一个新常态。

首先，这对 SpaceX 的运营成本和星座的长期稳定性构成了直接压力。更大的大气阻力意味着卫星需要更频繁地启动自身的推进器来对抗轨道衰减。这会消耗更多的燃料，直接缩短卫星的设计寿命。一颗原本能工作 5 到 7 年的卫星，可能因为太阳的“坏脾气”而提前几年报废。这无疑会增加整个星链网络的维护和卫星替换成本。

其次，这对整个近地空间的安全构成了威胁。目前，近地轨道已经非常拥挤，成千上万的在轨卫星、废弃卫星和各类空间碎片，都在以极高的速度飞行。如果大量卫星的轨道因为空间天气而变得难以预测，那么它们之间发生碰撞的风险就会上升。一次碰撞产生的碎片，又可能引发连锁反应，导致更多碰撞，也就是著名的“凯斯勒综合征”（Kessler syndrome）。虽然这离现实尚有距离，但轨道预测精度的下降，无疑是朝着这个危险方向靠近了一些。

最后，很多人会关心，这些掉下来的卫星会砸到人吗？从设计上说，星链卫星在重返大气层时会通过与空气的剧烈摩擦而完全燃烧解体，因此地面风险极低。然而，历史上确实发生过卫星残骸掉落地面的事件，甚至有报道称在加拿大发现了疑似星链的碎片。虽然这种概率非常小，但随着未来轨道上卫星数量增加到数万甚至更多，再小的概率乘以一个巨大的基数，也足以构成一个需要严肃管理的风险。

参考资料：

1.https://arxiv.org/pdf/2505.13752

2.https://www.independent.co.uk/space/starlink-satellites-elon-musk-space-b2759288.html

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