重现卡林顿级太阳风暴挑战：卫星安全与任务应对大考验

没有通信或导航，电子故障和碰撞风险。在位于达姆施塔特的欧洲航天局（ESA）任务控制中心，团队面临着前所未有的情景：一场极其强烈的太阳风暴。幸运的是，这场噩梦并不是现实，而是哨兵-1D（Sentinel-1D）模拟活动的一部分，推动了航天器操作和太空天气准备的边界。

在每次ESA发射之前，任务团队都会经历严格的模拟阶段，排练卫星在太空中的初始阶段，同时为任何异常情况做好任务控制的准备。自9月中旬以来，位于德国达姆施塔特的ESA欧洲航天操作中心（ESOC）团队一直在进行哨兵-1D的模拟，计划于2025年11月4日发射。

为了模拟最极端的情景，模拟官员从1859年臭名昭著的卡林顿事件中汲取灵感，这是有史以来记录到的最强地磁风暴。此次演练复制了灾难性太阳风暴对卫星操作的影响，以测试团队在没有卫星导航和严重电子干扰情况下的应对能力。

“如果真的发生这样的事件，就没有什么好办法。目标是确保卫星安全，并尽可能减少损害，”哨兵-1D的副航天器操作经理托马斯·奥姆斯顿（Thomas Ormston）说。

此次活动包括ESA太空天气办公室对其太空安全中心的罕见激活，这个中心是2022年成立的，体现了ESA日益增强的太空安全承诺。ESA的太空碎片办公室和其他ESA地球轨道任务的航天器操作经理也参与了这次演练，以增强真实感，模拟跨任务的影响和协调。

遭遇太阳耀斑

时间是22:20，一切都在按计划进行。在成功发射和分离后，任务控制中心在等待卫星信号的接收。几分钟后，一段嘈杂的传输到达任务控制中心。情况有些不对劲。

这艘航天器与其他在轨道上的航天器一起，遭遇了一次太阳耀斑。以光速传播的电磁波在从太阳爆发后仅八分钟就抵达了地球。

模拟团队模拟了一次巨大的X45级耀斑，强烈的X射线和紫外线辐射干扰了雷达系统、通信以及跟踪数据。伽利略和GPS导航功能现在已离线，而地面站，尤其是在极地地区，由于辐射水平达到峰值，已经失去了跟踪能力。

片刻之后，地球遭遇了第二波，这次由高能粒子组成，包括质子、电子和α粒子。这些粒子被加速到接近光速的速度，花费10到20分钟到达我们的星球，并开始干扰机载电子设备，可能导致比特翻转和永久性故障。

“太阳耀斑让团队成员感到措手不及。但一旦他们恢复了冷静，他们意识到倒计时已经开始。在接下来的10到18小时内，日冕物质抛射将会袭来，他们必须做好迎接的准备，”Sentinel-1D的首席模拟官古斯塔沃·巴尔多·卡瓦略说。

应对日冕物质抛射

在太阳耀斑发生十五小时后，第三个也是最具破坏性的阶段开始：一场巨大的日冕物质抛射——带电粒子的热等离子体——以每秒高达2000公里的速度撞击地球，触发了一场灾难性的地磁风暴。

在地面上，美丽的极光可见至西西里岛以南，风暴导致电网崩溃，并在长金属结构如电力线和管道中引发了破坏性的电流激增。

在太空中，卫星也遭遇挑战。风暴导致地球大气膨胀，增加了低地轨道卫星的阻力，并将它们偏离了正常轨道。任务控制人员面临着与太空垃圾和其他航天器的多次碰撞警告。

“如果发生这样的风暴，卫星阻力可能会增加 400%，局部大气密度可能会达到峰值。这不仅影响碰撞风险，还因需要增加燃料消耗以补偿轨道衰退，从而缩短卫星的使用寿命，”欧洲航天局（ESA）空间天气建模协调员豪尔赫·阿马亚（Jorge Amaya）表示。

“如此规模的事件将严重降低交会数据的质量，使得碰撞预测变得越来越难以解释，因为概率迅速变化。在这种情况下，决策在重大不确定性中变得微妙而复杂，避免一次潜在碰撞的机动可能会稍微增加另一种碰撞的风险，”来自 ESA 太空垃圾办公室的扬·西敏斯基（Jan Siminski）解释道。

辐射水平也激增，损坏了电子设备和材料。单次事件干扰变得更加频繁，损害了系统并缩短了操作寿命。全球导航卫星系统（GNSS）信号进一步退化，星跟踪器失去视线，电池充电事件使混乱加剧。

“太阳释放的巨大能量流可能会对我们在轨道上的所有卫星造成损害。低地球轨道上的卫星通常受到我们的大气层和磁场的更好保护，免受太空危害，但像卡林顿事件那样规模的爆炸将让任何航天器都无法幸免，”霍尔赫说。

为“重大事件”进行训练

“这次演习是一个扩展模拟训练项目的机会，涉及ESOC的许多其他利益相关者，涵盖所有类型的任务和操作方。在受控环境中进行演习使我们获得了宝贵的见解，帮助我们更好地规划、应对和处理此类事件。关键的收获是，这不是一个‘是否会发生’的问题，而是‘何时会发生’，”古斯塔沃说。

欧洲航天局的太空安全中心在此次演习中发挥了核心作用，是欧洲应对极端太阳风暴的重要保障。该模拟将为建立欧洲范围内的空间天气操作服务提供重要见解，帮助完善程序并提高韧性。

“模拟此类事件的影响类似于预测大流行的影响：我们只有在事件发生后才能真正体会到它对社会的影响，但我们必须做好准备，并制定计划以便在瞬间做出反应。这次演习是首次有机会应对如此重大事件，并将欧洲航天局空间天气办公室的反应融入到既有的操作中，”霍尔赫说。

“影响的规模和多样性让我们和我们的系统面临极限挑战，但团队掌握了这一挑战，这教会了我们，如果我们能应对这个挑战，我们就能应对任何现实生活中的突发事件，”托马斯总结道。

未来的基础设施

除了测试太空天气在操作中的韧性，这样的模拟突显了提高欧洲预测太空天气事件能力的紧迫需求。

欧洲航天局的太空安全计划正在开发分布式太空天气传感器系统（D3S）。这一系列太空天气卫星和搭载有效载荷将监测地球周围的不同太空天气参数，并提供无与伦比的数据，随时为保护欧洲公民和关键基础设施提供支持。

在更远的地方，欧洲航天局的Vigil任务将从拉格朗日点5观察太阳的“侧面”，开创一种革命性的方法，持续获取对太阳活动的洞察。

Vigil计划于2031年发射，将在太阳事件从地球可见之前检测潜在的危险太阳事件，让我们提前了解其具体情况，并为保护航天器和地面基础设施争取宝贵时间。