作者:唐芳 来源:科技日报微信公众号 发布时间:2022/2/12 22:18:41
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49颗星链卫星遭地磁暴,专家:损毁或祸起“卫星推进策略”

 

近日,美国太空探索技术公司(SpaceX)官方网站发布消息称,由于遭遇地磁暴,该公司2月3日发射的49颗星链卫星中,多达40颗卫星于次日已经或将要坠入大气层损毁。该公司强调,这些脱轨卫星与其他卫星相撞的风险为“零”。

中国科学院国家空间科学中心研究员罗冰显对科技日报记者表示,截至2月12日,公开资料显示,本批次发射的星链卫星已有5颗确认坠毁,10余颗仍在轨运行,其余卫星情况还不明朗。

“这些脱轨卫星与其他卫星碰撞的几率比较低,但说风险为‘零’有些绝对。”中国科学技术大学地球和空间科学学院教授雷久侯对科技日报记者表示,如果近段时间发射卫星,还是需要规避经过失控卫星的空域。

约210公里轨道高度,“星链”卫星遭遇最低级别地磁暴

什么是地磁暴?罗冰显解释,太阳风到达地球,带来地球磁场的扰动,如果扰动剧烈,就是地磁暴。太阳活动高年,地磁暴发生次数更多,级别也更高。

“这次星链卫星损毁事件期间遇到的地磁暴,属于最低级别的地磁暴。”罗冰显告诉科技日报记者,通常使用地磁Kp指数来表征地磁扰动的强弱,Kp指数划分为0到9级,Kp=5表示发生了低级别地磁暴。空间天气监测显示,当地时间2月4日,这批星链卫星在约210公里处遭遇了Kp=5级别的地磁暴。

“这种级别的地磁暴,从1957年到现在,平均每年发生50多天。在太阳活动高年,一年发生120多天。”罗冰显说,低级别地磁暴对于普通在轨卫星影响不大,基本可控。

Kp=9是强地磁暴,地球辐射环境、大气环境都会发生剧烈变化,相关机构会针对强地磁暴做出相应的预警、防护和规避措施。

谈及这次地磁暴的产生原理和过程,雷久侯说,伴随太阳表面的爆发,一般地球会受到三轮攻击:电磁辐射增强(耀斑,8分钟左右达到地球)、高能粒子流(1小时左右到达地球)以及从太阳日冕抛射出的高速等离子体云。

“这次星链卫星事件,是由1月29日太阳的M级耀斑,伴随1月30日的中等强度的日冕抛射物质事件引起。”雷久侯接着说,太阳风携带的等离子体团,2月3日到达地球附近后,与地球磁场相互作用,通过压缩地球磁层顶、以及发生磁场重联等过程,引起地球空间的磁层及环电流系统产生剧烈扰动,从而产生地磁暴。

专家:地磁暴只是诱因,损毁或祸起“卫星推进策略”

埃隆·马斯克及其企业虽在太空探索领域有诸多创新和突破,但其2014年提出的“星链”计划广受非议。该项目原计划向太空发射1.2万颗卫星,但该公司已获准再建造约3万颗卫星,可能使卫星总数增加至4.2万颗。据报道,截至2021年12月底,该公司已经发射了近1900颗卫星。

“ ‘天灾’跟‘人祸’综合到一起了。”据雷久侯分析,这次星链卫星事件是遭遇地磁暴而引起地球大气受到加热,使得卫星阻力增加而不能升轨导致。不过,雷久侯指出,这些卫星受损可能主要还是卫星推进策略以及卫星设计导致,大气阻力升高只是一个诱因。

据了解,星链卫星运行在500公里轨道附近,倾角约55度。为何这次却在210公里轨道高度栽了跟头?

罗冰显指出,本批次发射的星链卫星的推进策略是,先用火箭将卫星送入210公里的预定轨道,再用电推进器将卫星送往更高处。然而卫星停留在210公里时遭遇地磁暴。

“卫星处于210公里的轨道,此时采用电推进方式,大气阻力与推进力可能大体相当。但是这次地磁暴导致大气阻力增强,推进作用失效。除此之外,卫星设计上,其进入安全模式回不了升轨状态。”雷久侯说。

美国太空探索技术公司称,2月4日发生的一场地磁暴对这些卫星造成严重影响,使卫星所在区域的大气变暖,密度增加,卫星受到的大气阻力比以往发射时的水平增加高达50%。

罗冰显分析了这一数据的合理性。“经过计算和观测确认,这次地磁暴引起了大气密度的上升。此外,在卫星受大气阻力而高度下降的过程中,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。”他说。

在雷久侯看来,如果一开始就将卫星送到更高轨道,即使遇到更强的地磁暴,甚至强很多倍的扰动,也不会引起卫星快速损毁。他补充道,一般卫星都会推到更高轨道,不会停靠在210公里高度。因为,大气密度随高度指数衰减,轨道抬升100公里,大气阻力要低1-2个数量级,400-500公里轨道高度的大气阻力相对较小。

“这些星链脱轨卫星从约210公里往下坠毁,重新进入大气层后会燃烧殆尽,不会产生太空碎片,也不会有卫星零部件撞击地球表面。”罗冰显说。

对于脱轨星链卫星的风险问题,雷久侯表示,这些卫星处于约210公里的低轨道高度,所受的阻力比较大,能维持的寿命比较短,在无控制的情况下,估计十几天或更长的时间会在陨落过程中基本燃烧殆尽。此外,这个轨道很少有其他卫星驻留,因而相碰撞的几率也比较低。

地磁暴对人造卫星的影响有多大?

雷久侯表示,地磁暴期间,来自太阳的高能粒子沉降和(电流)焦耳加热,这时在极区容易看到极光活动增强,同时会引起全球高层大气温度增加。大气膨胀,卫星轨道附近的大气密度增加,使得卫星阻力增强。

另外,还有其他很多影响,比如大气成分改变,大气的环流改变,相对应的区域由大气电离的等离子体,通常说的电离层也会发生剧烈变化,影响卫星和地面通讯。

值得强调的是,地磁暴期间,保护地球的磁场结构会发生改变,很多处在更高轨道的卫星,比如同步卫星,就会暴露于不同磁场和等离子环境,从而受到高能粒子的直接攻击,甚至导致一些卫星器件失效。

罗冰显对记者说,强大的太阳爆发事件可能导致强烈的地磁暴,并影响轨道上的卫星或地面上的基础设施,比如在20世纪就有两个著名例子。

1979年,美国的“天空实验室”(Skylab)在轨期间处于太阳活动高年,由于多次地磁暴的累积效应,地球大气层的膨胀使得“天空实验室”受到的大气阻力剧增,轨道加快衰减,“天空实验室”比预期更快坠入大气层烧毁。

1989年,一场地磁暴使得加拿大魁北克省的电网过载,导致该地区出现大范围的断电事故,持续了9-12个小时。另据报道,几乎同一时期,美国空间目标跟踪系统上千个目标需要重新定位,新发射飞行物的跟踪辨认困难。

 
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