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          失去40顆“星鏈”衛星 地磁暴到底是什么?它可能帶來哪些危害

          當地時間2月4日,一場地磁暴讓美國太空探索技術公司(SpaceX)失去了40顆剛剛發射成功的“星鏈”衛星。根據SpaceX官方網站發布的消息,這些衛星在地磁暴的影響下,一天時間內大氣阻力增加了50%,導致它們無法重新提升運行軌道的高度,最終掉回大氣層內銷毀。

          地磁暴到底是什么?它可能帶來哪些危害?歷史上還曾經發生過哪些因地磁暴引起的事故和災害?這里我們就來為讀者作些介紹。

          1 什么是地磁暴?

          地磁暴是地球磁層發生的一種劇烈擾動。

          眾所周知,地球本身擁有內稟磁場,而且磁場的南北極跟地理上的南北極相反。早在戰國時期,我國人民就懂得制造“司南”用來指示方向;北宋科學家沈括在《夢溪筆談》中甚至提到了指南針“能指南,然常微偏東”,表明我國古代已經觀察到“地磁偏角”存在的現象。

          然而,人類對地球磁層比較完整和宏觀的認知圖像是直到進入太空時代之后才建立起來的。在衛星出現以前,人們通過建立大量的地磁觀測臺站,并且借助搭載磁力儀的航海和航空臺,已經開展了全球的地磁場測量活動。1958年,蘇聯發射了首顆用于測量地磁場的衛星“斯普特尼克3號”,隨后世界各國發射了許多用于測量地球磁場的衛星,比較著名的有美國1979年發射的“磁衛星”、歐洲空間局2013年發射的“蜂群”衛星星座等。我國2003年至2004年實行的“雙星計劃”也在地球磁場觀測方面取得了卓有成效的結果。

          通過利用衛星在太空中實地測量地磁場的大小、方向、隨時間的變化情況等,再加上對太陽和太陽風的觀測,科學家們逐漸發展和構筑了現代的空間物理學理論大廈,為我們描繪了地球磁層與太陽風相互作用的新圖景。

          現在人們認為,地球磁層是由太陽風“擠壓”地球磁場而形成的。在面向太陽的一側,地球磁層的邊界只有約10個地球半徑,而背向太陽的一側則延伸到200個地球半徑之外,就像彗星的尾巴一樣。當太陽風比較微弱時,磁層會膨脹;反之當太陽風較強時,磁層會受到壓縮。當太陽活動發生比較劇烈的波動,導致地球磁層相應發生劇烈變化時,就可能導致地磁暴的發生。

          2 航天器為何懼怕地磁暴?

          當發生太陽耀斑和日冕物質拋射等劇烈的太陽爆發事件時,強大的太陽風沖擊和壓縮地球磁層,大量帶電粒子沿磁力線沉降、轟擊高層大氣,產生極光并使極光帶膨脹。同時,帶電粒子的沖擊引起地球電離層中等離子體的對流,通過碰撞驅動中風的產生;在太陽風攜帶的磁場與地球磁場發生重聯時,大量能量和帶電粒子快速注入地球磁尾空間,對地球周圍環電流的強度產生劇烈擾動,而快速變化的電場又與磁場相伴相生,導致全球范圍內的地磁場發生劇烈擾動,從而形成地磁暴。

          在地磁暴期間,受到高能粒子沉降和焦耳加熱(電流通過電阻產生熱效應)的作用,地球大氣層可能受熱膨脹,引起高層大氣的密度增加,最終導致在地軌道上運行的衛星受到的大氣阻力明顯加強。

          根據美國國家大氣海洋局空間天氣預報中心的數據,就在SpaceX的40顆“星鏈”衛星墜毀前幾天(1月30日)剛好發生了一次太陽爆發活動,產生的太陽風粒子流于3天后(2月2日)到達地球附。因此有理由推測,正是它們引起的地磁暴導致了2月4日衛星的快速衰減和最終墜毀。

          在世界航天史上,因為地磁暴引起大氣阻力增加、導致航天器軌道下降的案例不勝枚舉。例如,1973年美國發射的空間站“天空實驗室”原計劃運行到1983年左右(設計壽命10年),但因為當時對太陽活動的監測能力有限、沒有及時采取維持軌道高度的措施,導致僅僅6年后該空間站就因大氣阻力增加而提前隕落。

          再如,2000年7月的“巴士底日事件”中,因為太陽風暴引起大氣密度增加,國際空間站的運行軌道下降了15千米,日本“宇宙學和天體物理先進衛星”也出現軌道下降和定位故障,2個月后衛星丟失。

          另外根據我國氣象局報道,2003年發生的“萬圣節太陽風暴”不僅使歐美日的多顆衛星發生不同程度損壞,還使我國的“神舟五號”飛船留軌艙運行高度明顯降低,不得不采取措施提升飛船軌道以避免提前墜毀。

          3 地磁暴還有哪些危害?

          地磁暴不僅會對天上的航天器造成影響,還能對地上的許多關鍵設施(特別是電線等長距離導體)造成危害。

          在變化的地磁場作用下,具有較高電阻率的地面土壤中可以產生持續數分鐘到幾個小時的感應電勢,強度達到每千米若干伏特到十幾伏特。在高壓輸電網絡中,這種感應電勢會導致接地的變壓器之間的輸電回路中產生“地磁感應電流”,導致變壓器壽命縮短、損壞乃至燒毀。更加嚴重的是,由于地磁暴是全球的,因此可能在很大區域的電網中會有數百臺變壓器同時發生“半波飽和”,導致跳閘等錯誤,引起系統崩潰、發生大面積停電。歷史上,這種事故發生過很多次,最為著名的屬卡林頓事件和魁北克停電事件。

          1859年9月1日,英國天文學家卡林頓觀測到太陽表面北部的黑子群突然發出白色亮光(產生太陽爆發)。幾分鐘后,英國格林尼治天文臺探測到地球磁場發生劇烈變化。約18小時后,地磁暴誘導產生的感應電流導致電報系統失靈,有報道稱當時的電報機和塔架出現了火花,甚至有電線被熔化,夜空中產生了前所未有的極光,甚至赤道附的夏威夷地區也能觀測到。據英國勞合社大氣和環境研究公司2013年5月發布的一份報告稱,舉例來說,如果卡林頓事件發生在今天的美國,可能使2000萬至4000萬人面臨十幾天到一兩年的停電,導致萬億美元級別的經濟損失。

          1989年3月13日,加拿大魁北克地區的電網因之前一次太陽風暴的影響,發生大范圍斷電事故,受直接影響的居民達到600萬人,停電時長達到9個小時,造成了高達數千萬美元的經濟損失。

          4 如何防范地磁暴?

          如今,世界各航天大國和強國都十分關注對太陽風暴和地磁暴等災害事件的觀測與研究,催生了“空間天氣學”和“空間天氣預報”業務。

          2015年10月,美國政府發布了《國家空間天氣戰略和行動計劃》,將應對災害空間天氣提升到國家戰略高度。在我國2022年1月28日發布的《2021中國的航天》白皮書中,也提到我國“初步建成空間天氣保障業務體系,具備監測、預警和預報能力,應用服務效益不斷拓展”,未來還將“建設天地結合的空間天氣監測系統,持續完善業務保障體系,有效應對災害空間天氣事件”。

          從某種意義上說,防范災害空間天氣的國家需求,也為我國科技工作者提供了大有可為的廣闊空間。例如,如何實現更好的太陽立體觀測,從而提高對太陽爆發活動和太陽風觀測的時效、準確?如何將太陽觀測數據同地球空間環境的觀測數據、地球大氣探測的數據相結合,打造“太陽活動-空間天氣-地球天氣”的綜合預報能力?如何通過創新的工程設計和新材料、新工藝的應用,提高衛星(特別是“星鏈”衛星這樣的微小衛星)應對太陽風暴的防護能力、軌道機動能力、燃料能源的補充能力?如何在地面上開發新的裝備和措施,用于增強電網等關鍵基礎設施在地磁暴期間的穩定、安全?等等。

          航天技術的發展、太陽物理學和空間物理學的進步,已經讓人類站在“大航天時代”的門口,未來隨著航天成本的不斷下降、商業航天活動的進一步繁榮,世界各國對精準、超前的空間天氣預報的需求一定還將不斷增加。創新和探索的路上一定會出現各種挫折和損失,同時也讓我們收獲更多知識和經驗,這可能就是SpaceX損失的40顆衛星帶給我們的啟發。

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