今年早些时候，地球遭受了二十年来最强烈的地磁暴袭击。风暴最明显的后果是北半球和南半球在不同寻常的纬度上出现了美丽的极光。在接下来的几天里，互联网上充斥着这些图片。
但这场风暴也对世界上迅速增长的卫星群造成了更隐秘的影响。物理学家早就知道，这些风暴会烧毁电路，中断通信并改变低地球轨道物体的轨迹。因此，一个重要的问题是这些卫星在风暴期间和之后表现如何。
风暴损害
现在，麻省理工学院剑桥分校的 William Parker 和 Richard Linares 的工作给我们带来了答案，他们研究了风暴对低地球轨道及以外所有卫星目录的影响。他们表示，风暴严重扰乱了轨道碰撞预测能力长达数天，这大大增加了所有在低地球轨道上运行的风险。
天文学家长期以来一直观测着11年的太阳周期，在此期间，太阳黑子、太阳耀斑和日冕物质抛射的数量此消彼长。在2024年和2025年，太阳将接近这个周期的顶峰，因此物理学家预计到达我们地球的太阳风暴的数量和强度将急剧增加。
今年5月7日至11日，这种情况确实发生了。各种太阳观测站发现了五次不同的日冕物质抛射正向我们袭来。这些是从太阳表面喷发出的巨大等离子体云，并维持着自身强大的磁场。
如果这些等离子体云撞击地球，等离子体会加热上层大气，使其膨胀并增加低地球轨道卫星的阻力。磁场会产生电流，烧毁电路或中断轨道和地球上的通信。
如果涉及卫星导航系统等安全关键基础设施，情况可能尤其严重。发生这种情况的一种方式是，风暴影响电离层结构并改变导航卫星和地面之间传输的路径，从而降低授时信号的准确性。
实际上，太阳科学家在观测到风暴向我们袭来时，立即发出了警告，通常需要三天左右才能到达。这让卫星运营商有时间提前做好准备。
然而，Parker 和 Linares 表示，在最初的警告之后，预测很糟糕。他们严重低估了风暴来临前的地磁强度，然后在风暴过后的几天里又高估了。他们承认：“现实是，预测地磁活动非常困难。”
研究人员随后试图测量风暴对上层大气造成的变化。他们说，400公里高度的上层大气密度比12小时前增加了6倍。
这显著增加了该高度卫星的阻力。他们举例说，俄罗斯地球观测卫星Kanopus-V 3于2018年发射，并由美国北美防空司令部跟踪。风暴前，这颗卫星的轨道衰减速度为每天38米，但在风暴期间，这个速度增加了四倍。
许多现代卫星都运行自动保持系统，实时保持其轨道，特别是埃隆·马斯克的星链卫星，其数量达数千颗。Parker 和 Linares 说，这些卫星在风暴期间大规模机动，以对抗额外阻力的影响。
宇航员风险
所有这些计划外的移动都带来了重大的安全风险。所有低地球轨道物体的轨道都受到持续监测，以预测潜在的碰撞——天文学家称之为“交会”——以便卫星可以避开。
但在整个风暴期间和之后的几天里，由于轨道快速变化，这些计算几乎不可能。他们说：“这些挑战使人们对地磁暴条件下现有交会评估程序的能力产生了疑问。”
这将是空间运营商，特别是国际空间站上的宇航员所关注的问题。国际空间站曾多次不得不移动以避免潜在碰撞，因此它依赖于这些预测。
由于星链和一网等卫星通信星座的出现，轨道物体的数量显著增加，这个问题将变得更加严重。
然而，地磁暴也有一个好处。Parker 和 Linares 指出，增加的阻力有助于以比平时更快的速度清除低地球轨道的空间碎片。他们说：“碎片非常难以清除，因此一个具有强烈地磁暴的强太阳周期是帮助维持长期可运行环境的最佳方法之一。”
这是一项有趣的工作，强调了需要更好地为地磁暴做准备，特别是在避碰方面。随着在未来一年左右的太阳周期高峰期预计会有更多风暴，这个问题将变得更加严峻。
参考文献：2024年5月地磁暴期间的卫星阻力分析：arxiv.org/abs/2406.08617
