航天器的“隱形殺手”：地磁暴

猶如空氣和水，地磁場(chǎng)也是人類(lèi)生存不可缺少的環(huán)境條件之一。它包圍在地球周?chē)?，保護(hù)著地球生命，使其免受高速太陽(yáng)風(fēng)的威脅和宇宙高能粒子的轟擊。但是，“水能載舟亦能覆舟”，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，地磁場(chǎng)會(huì)受到太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的影響而發(fā)生擾動(dòng)，從而對(duì)航天器造成嚴(yán)重影響。4月份發(fā)生的持續(xù)達(dá)15小時(shí)的強(qiáng)地磁擾動(dòng)，就使幾百千米外的航天器感受到不小震動(dòng)。

地磁暴是如何影響航天器的？下面就來(lái)了解一下吧！

地磁擾動(dòng)使得航天器偏離軌道

距地面幾百千米的太空雖然空氣稀薄，但對(duì)于高速運(yùn)行的航天器而言，這種阻力不可小視。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴、地磁發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)時(shí)，大氣密度會(huì)陡增，阻力突然加大，從而導(dǎo)致它偏離預(yù)計(jì)軌道，甚至提前掉入低層大氣而隕落。

為什么地磁一擾動(dòng)，大氣密度就會(huì)增加呢？主要是受太陽(yáng)風(fēng)的影響。太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量傳遞給地球大氣，使極區(qū)大氣加熱、膨脹、上升，低層較密的大氣被帶到較高高度上，并在大氣環(huán)流的作用下，傳遞到其他高度和緯度區(qū)域上，從而引起全球高層大氣密度增加。

低軌道上的航天器受到更大干擾

航天器的運(yùn)行軌道越低，受磁暴的影響越大。我國(guó)空間站運(yùn)行在近400 千米的低軌道，搭載的大氣密度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，此次磁暴期間，大氣密度較之前平靜期增加約50%，從而導(dǎo)致軌道衰減率有了明顯上升，衰減率增幅約為48.7%。

此次地磁暴期間，7顆衛(wèi)星的軌道衰減增幅最小值為28.8%，最大值達(dá)到了160%，由此可見(jiàn)此次強(qiáng)地磁暴的威力。

地磁暴讓衛(wèi)星提前隕落

地磁暴導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰變加劇，甚至提前隕落的事件早有先例。美國(guó)發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星隕落就是一個(gè)例子。1973年，天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射初期，正處于太陽(yáng)平靜時(shí)期，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)它的運(yùn)行壽命為10年。但隨著太陽(yáng)暴的頻繁出現(xiàn)，天空實(shí)驗(yàn)室飛行阻力加大，1977年秋天，該衛(wèi)星就已脫離穩(wěn)定狀態(tài)。盡管美國(guó)航空航天局采取了一系列挽救措施，也未能阻止它隕落，1979年7月就提前墜入大氣毀滅。

“星鏈?zhǔn)录敝?8顆衛(wèi)星墜毀

近年來(lái)地磁暴影響巨大的事件之一就是“星鏈?zhǔn)录薄?/p>

2022年2月3日，美國(guó)SpaceX 太空探索技術(shù)公司向近地軌道發(fā)射了49顆“星鏈”衛(wèi)星，衛(wèi)星順利進(jìn)入近地點(diǎn)210千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)340千米的軌道。然而，衛(wèi)星在2月4日遭遇了地磁暴，導(dǎo)致210千米高度的大氣密度增幅約為13%，3小時(shí)內(nèi)兩個(gè)軌道圈次衛(wèi)星經(jīng)歷的平均大氣密度產(chǎn)生了約40% 的上升。

面對(duì)突然上升的大氣阻力，雖然SpaceX 公司命令衛(wèi)星進(jìn)入安全模式，以最大限度減少阻力影響，但該策略并未奏效。最終只有11顆順利升軌進(jìn)入工作軌道，其余38顆均墜入大氣層燒毀。

地磁擾動(dòng)會(huì)愈演愈烈？

不幸的是，目前全球正處于第25 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的快速上升階段，預(yù)計(jì)2024年達(dá)到峰值。在此期間，太陽(yáng)的爆發(fā)活動(dòng)將逐漸增多增強(qiáng)，由此引發(fā)的強(qiáng)烈地磁擾動(dòng)也將更加頻繁，這給未來(lái)低軌航天器的軌道維持、軌道預(yù)報(bào)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。為此，我們一方面要提高地磁暴預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，另一方面還需加強(qiáng)軌道衰變的效應(yīng)分析。