地磁暴不会让你睡不佳，但真会让卫星从天上掉下去

在5月里，太阳共产生了21次X级大耀斑和97次M级耀斑[1]。地球磁场遭到云云茂密且高强度的太阳风暴影响，多次产生磁暴事变。5月11日的地磁暴更是创下了20年以来最强的纪录，我国的高纬度地区也显现了稀有的极光，如同漫天绽放的烟花。

5月11日因地磁暴引发的极光（图片泉源：央视讯息）

地磁暴会对地球电离层、通讯导航体系产生短期干扰，但是对人体几乎没有影响。假如你哪天以为特别犯困或是没力气，那约莫率是你没有休憩好，地磁暴可不背这口锅。

真正由于地磁暴而日子不佳过的，但是是在太空中的近地人工制造天体。相反在5月，美国专门公布人工制造天体轨道数据的网站Space-Track.org茂密报告了126颗卫星和碎片的陨落信息，约莫是太阳活动宁静年份（2020年）月均陨落数目标4倍。

近地轨道空间

距离地表100至2000km的地区寻常被称作近地轨道空间，停止2024年5月1日，可观察到22352颗人工制造天体运转其间，包含了10707颗正在事情或以前没效的人工制造卫星、953颗发射残留的火箭体、以及1万多个10厘米以上空间碎片等。得益于较短的通讯时延、快速的重访周期、富裕的地区掩盖等优点，很多通讯导航和封建卫星都在近地轨道上事情，好比我国的”天宫“空间站、 量子封建实行卫星“墨子号”、暗物质粒子探测卫星“悟空号”、 优秀天基太阳天文台“夸父一号”，以及国际空间站（ISS）等。

运转在近地轨道的国际空间站（图片泉源：NASA）

为什么太阳地磁发作觉象和近地人工制造天体的陨落有干系呢？让我们先从星链卫星的一次遭遇讲起。

小磁暴，大丧失

2022年2月初，一则星链卫星坠入大气层烧毁的讯息冲上热搜。SpaceX公司在其官方声明中说：2月3日发射的49颗卫星“明显地被2月4日的地磁发作影响”，招致此中的40颗离开了轨道，再入地球大气层。

事后分析标明，这批星链卫星事先正处于210km的测试轨道，2月3日至4日由于太阳活动引发了一次地磁暴，轨道四周的大气密度增大了约50%，卫星遭到的大气阻力明显增长[2]。只管星链团队及时将卫星调停为侧飞姿势，试图减小迎风面积和大气阻力，却仍然未能告捷坚持和持续抬升轨道高度，招致40颗卫星在后续几天坠入更低的稀疏大气层中烧毁（另一说法是38颗[3]）。依照卫星造价和火箭发射本钱预算，这次事故约莫形成5万万美元的丧失[4]。

在北美洲波多黎各上空由Sociedad de Astronomia del Caribe (SAC)的相机拍摄到的星链卫星在陨落历程中剖解熄灭的影像（图片泉源：euronews）

这是人类第一次公开纪录到批量卫星因地磁暴招致的大气阻力增长而同时陨落的事变。深邃夜空中星斗坠落、火树银花的场面十分震撼，但更令人担心的是——地磁暴居然能对近地人工制造天体产生云云严峻的影响！

这次事变给人类敲响了警钟。如今太阳活动展现趋向峰值的活泼态势，地磁发作事变将不成制止地愈加经常、愈加剧烈。今后一段时期里，近地人工制造天体的运即将碰面临太阳和地磁发作的严厉要挟。

为什么地磁暴会招致卫星陨落？

正如星链卫星陨落事变所展现的——地磁暴关于卫星轨道的影响主要在于提高了高层大气的密度。

高层大气是指距离地表80km以上的大气圈层，此中800km以下热层地区中性气体的因素主要为氮气、氧气，以及氮、氧、氦的原子。在太阳耀斑事变产生后，极紫外波段的太阳辐射在短期内明显加强，热层被加热变大，低层相对稀疏的大气分散到更高层，惹起密度增大；同时，地磁暴还引发焦耳加热和电离、极光粒子沉降、低层大气上涌、大气环流等一系列繁复物理历程，使得高层大气的密度明显增大。

密度增大，意味着相反体积内的气体粒子数目增多，气体总质量增大，从而对人工制造天体的外表产生更大的阻力，减缓了活动速率，斲丧了飞举动能，低落了轨道高度，招致人工制造天体遭遇更稀疏的大气情况，这种“链式反响”使得轨道高度增速衰减。

地球大气不同圈层的高度表现图，80km至800km支配是中性气体构成的热层，以及处于局部电离形态的电离层（图片泉源：NOAA）

以我国的“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）、美国的MINOTAUR 4碎片为例，2016年两者轨道都在500km四周，之后6年恰逢太阳活动低年，辐射强度相对较低，地磁活动总体宁静，大气密度坚持在较低水平，轨道高度衰减比力缓慢。而在2022年之后，太阳辐射持续加强且伴随多次短期发作，大气密度上升惹起阻力增大，两个目标的轨道半长轴均显现增速衰减的趋向，此中MINOTAUR 4碎片的尺寸比DAMPE大1个量级（下图中用弹道系数Bc表征），轨道衰减更显剧烈，2年多来高度已下降100km。

DAMPE和MINOTAUR 4碎片的轨道半长轴长时衰减以及与太阳辐射强度的干系（图片数据泉源：Space-Track）

在5月11日的特大地磁暴中，一颗NORAD（北美防空司令部目次序号）编号为57453的空间碎片陨落。追溯其汗青轨道发觉，4月6日它仍处于400km高度，按常规推算不应该云云敏捷地再入大气层。但是在短短1个月间，接连产生了数十次太阳耀斑，引发了4次中等以上强度的地磁暴，使得高层大气密度不休上升，增速了碎片的陨落。

如下图中的褐色实线体现，这颗空间碎片的轨道衰减履历了3次分明增速，第一次产生在4月18日前后，衰缓速率从原本的天天下降683m，忽然增大到天天下降3.48km；第二次和第三次都产生在5月5日至11日太阳一连多次的发作阶段，特别是遭遇了从10日开头持续40小时的特大磁暴，衰缓速率终极增大到天天83km，直接招致了该碎片的陨落。

编号57453碎片轨道高度的3次增速衰减以及与太阳和地磁发作事变的对应干系(2024-04-05至05-17).（图片数据泉源：Space-Track）

值得光荣的是，通常米级或更小的人工制造天体陨落时会在大气层内熄灭剖解，对人类宁静和地心情况的影响很小。

太阳活动进入巅峰期

太阳在发作历程中向外放射多量日冕物质，这些带电高能粒子云假如击中地球，与地球磁层耦合，就会引发地磁暴。因此，对人工制造天体的保护必要分外注意对太阳活动的监测。

从1947年起，人们就使用地表望远镜对太阳10.7cm波长的射电辐射流量举行不中断的丈量，以此表征太阳活动的强弱厘革。从下图a中可以看到，太阳活动有约莫11年的基本周期，而地磁场扰动的厘革周期与这一周期坚持高度同步。

人们常用Kp指数或ap指数表现地球磁场的活泼水平（被扰动的品级），假如以Kp≥4大概逐日最大ap≥56作为较明显扰动的门限，每年的地磁扰动天数会随着太阳活动强弱而涨落（下图b,c）。

自1970年以来(a)太阳射电波段辐射流量F10.7，(b)逐日最大地磁指数ap，(c)按年度统计Kp≥4或逐日最大ap≥56的地磁扰动天数（图片数据泉源：CelesTrak）

太阳的第24个活动周期已于2019年12月完毕，它是振幅偏低的一个太阳活动周期，地磁场遭到扰动的天数也相应偏少。从2020年开头，太阳进入第25周的上升阶段，辐射水平不休上升，地磁扰动天数逐年增多。尤其是2024年以来太阳活动愈发经常且剧烈[5]，研讨估测，太阳约莫在本年晚些时分进入第25个活动周的极大期，而最大的地磁暴寻常显如今这个峰值的数月至数年之后[6]。将来一段时期，地球周围的空间情况如同惊涛拍岸，波涛升沉。

将来一段时间，地球周围空间情况将波涛升沉（图片泉源：国度空间封建中央）

为延伸航天器的在轨时间和事情寿命，在任责计划阶段就应当准确猜测将来数年（或职责限期）内的太阳活动水平，从而储存富裕的燃料，举行必要的轨道坚持。以国际空间站ISS为例，在太阳活动宁静的年份（2019、2020年），2年间主动上升轨道17次（包含为规避碰撞风险实行的5次机动）；而在太阳活动较强的年份（2022年7月至今），为坚持轨道高度，ISS主动抬升轨道多达32次，比拟于太阳宁静期增长了约1倍。

国际空间站ISS在不同太阳活动水平常的轨道机动（主动抬升轨道）的次数比力，(a)是宁静太阳活动期，(b)是较强太阳活动期。（图片数据泉源：Space-Track）

地磁暴对高层大气的影响难以捉摸

如今，关于地磁暴惹起的高层大气密度的厘革，天下各都城难以准确预告。以2003年11月19日至23日的大磁暴为例（ap最大值300，Dst最小值-422，下图中蓝色圆点代表Dst数值），重力卫星CHAMP和GRACE-A卫星同时纪录了大气密度的短期剧烈抬升征象（下图中靛蓝色粗线）：CHAMP卫星事先位于400km高度，地磁发作后仅1天，大气密度增大了近5倍；GRACE-A卫星纪录到500km的密度增大了近7倍。用3种最新大气模子（DTM2020，JB2008和MSIS2.0）模仿此次事变中大气密度的厘革（图中红、紫、褐色细线），与实测比力可见，3种模子在宁静期密度、第一呼应时间、峰值时候、密度峰值等方面存在较大偏差。

更具挑唆的是，现在还没有一个举世标准上最优的模子可以准确预告高层大气的密度分布和厘革。长时以来，它是限定近地人工制造天体轨道预告精度的瓶颈之一，因此，关于全体大气层的猜测，也被美国水师实行室(NRL)列入《2023-2048的25项武艺》报告。

2003年11月19日至23日大磁暴时期每小时Dst指数，CHAMP和GRACE-A卫星观察的大气密度和履历大气模子盘算值。Dst指数是使用赤道四周低纬度地磁站丈量磁场强度的水平分量加权换算而得，反应磁场扰动的强弱，Dst≤-200为特大磁暴。（图片泉源：https://sol.spacenvironment.net/JB2008/）

山雨欲来风满楼，2024~2026年被以为是太阳活动第25周的峰年阶段，很约莫招致更为经常且剧烈的地磁暴事变。近地人工制造天体的轨道将蒙受更大的阻力而增速衰减；以星链为代表的巨型星座发射和运控将担当更多风暴磨练；载人空间站、低轨封建和使用卫星也需举行更经常的轨道机动和姿势控制。因此，亲密监测太阳活动，从物理机制和统计模子两个方面准确猜测太阳和地磁发作事变对地球高层大气的影响，提高近地人工制造天体轨道的预告精度，对保证航天活动和空间宁静具有紧张意义。

参考文献：

[1] 中国封建院国度空间封建中央, 空间情况预告中央网站 http://www.sepc.ac.cn

[2] 罗冰显等, “星链”卫星毁于地磁暴事变空间情况分析, 国际太空, 2022-05

[3] Berger T.E., et.al, The Thermosphere is a Drag: The 2022 Starlink Incident and the Threat of Geomagnetic Storms to Low Earth Orbit Space Operations, Space Weather, 21,e2022SW003330, 2023

[4] SpaceX starlink satellite’s flaming re-entry caught on camera after geomagnetic storm, www.euronews.com, 2022-02-11

[5] 夸父速报丨9天,11个X级耀斑, 中国封建院紫金山天文台, 2024-05-12

[6] Dazzling auroras are just a warm-up as more solar storms are likely, scientists say, Nature, News Explainer, https://doi.org/10.1038/d41586-024-01432-7, 2024-05-13

作者简介

汪宏波，中国封建院紫金山天文台副研讨员，研讨朝向：高层大气密度模子研讨，近地人工制造天体轨道的高精度预告办法。