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磁场|一场地磁暴让40颗“星链”卫星坠毁，对地面关键设施也有危害

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当地时间2月4日 ， 一场地磁暴让美国太空探索技术公司（SpaceX）失去了40颗刚刚发射成功的“星链”卫星 。 根据SpaceX官方网站发布的消息 ， 这些卫星在地磁暴的影响下 ， 近一天时间内大气阻力增加了50% ， 导致它们无法重新提升运行轨道的高度 ， 最终掉回大气层内销毁 。
地磁暴到底是什么？它可能带来哪些危害？历史上还曾经发生过哪些因地磁暴引起的事故和灾害？我们邀请中国科学院文献情报中心空间光电与重大科研设施团队副研究员郭世杰来为读者做些介绍 。
磁场|一场地磁暴让40颗“星链”卫星坠毁，对地面关键设施也有危害
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什么是地磁暴？
地磁暴是地球磁层发生的一种剧烈扰动 。
众所周知 ， 地球本身拥有内禀磁场 ， 而且磁场的南北极跟地理上的南北极相反 。 早在战国时期 ， 我国人民就懂得制造“司南”用来指示方向；北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中甚至提到了指南针“能指南 ， 然常微偏东” ， 表明我国古代已经观察到“地磁偏角”存在的现象 。
然而 ， 人类对地球磁层比较完整和宏观的认知图像是直到进入太空时代之后才建立起来的 。 在卫星出现以前 ， 人们通过建立大量的地磁观测台站 ， 并且借助搭载磁力仪的航海和航空平台 ， 已经开展了全球性的地磁场测量活动 。 1958年 ， 苏联发射了首颗用于测量地磁场的卫星“斯普特尼克3号” ， 随后世界各国发射了许多用于测量地球磁场的卫星 ， 比较著名的有美国1979年发射的“磁卫星”、欧洲空间局2013年发射的“蜂群”卫星星座等 。 我国2003年至2004年实行的“双星计划”也在地球磁场观测方面取得了卓有成效的结果 。
通过利用卫星在太空中实地测量地磁场的大小、方向、随时间的变化情况等 ， 再加上对太阳和太阳风的观测 ， 科学家们逐渐发展和构筑了现代的空间物理学理论大厦 ， 为我们描绘了地球磁层与太阳风相互作用的新图景 。
现在人们认为 ， 地球磁层是由太阳风“挤压”地球磁场而形成的 。 在面向太阳的一侧 ， 地球磁层的边界只有约10个地球半径 ， 而背向太阳的一侧则延伸到200个地球半径之外 ， 就像彗星的尾巴一样 。 当太阳风比较“微弱”时 ， 磁层会膨胀；反之当太阳风较强时 ， 磁层会受到压缩 。 当太阳活动发生比较剧烈的波动、导致地球磁层相应发生剧烈变化时 ， 就可能导致地磁暴的发生 。
航天器为何惧怕地磁暴？
当发生太阳耀斑和日冕物质抛射等剧烈的太阳爆发事件时 ， 强大的太阳风冲击和压缩地球磁层 ， 大量带电粒子沿磁力线沉降、轰击高层大气 ， 产生极光并使极光带膨胀 。 同时 ， 带电粒子的冲击引起地球电离层中等离子体的对流 ， 通过碰撞驱动中性风的产生；在太阳风携带的磁场与地球磁场发生重联时 ， 大量能量和带电粒子快速注入地球磁尾空间 ， 对地球周围环电流的强度产生剧烈扰动 ， 而快速变化的电场又与磁场相伴相生 ， 导致全球范围内的地磁场发生剧烈扰动 ， 从而形成地磁暴 。
在地磁暴期间 ， 受到高能粒子沉降和焦耳加热（电流通过电阻产生热效应）的作用 ， 地球大气层可能受热膨胀 ， 引起高层大气的密度增加 ， 最终导致在近地轨道上运行的卫星受到的大气阻力明显加强 。
根据美国国家大气海洋局空间天气预报中心的数据 ， 就在SpaceX的40颗星链卫星坠毁前几天（1月30日）刚好发生了一次太阳爆发活动 ， 产生的太阳风粒子流于3天后（2月2日）到达地球附近 。 因此有理由推测 ， 正是它们引起的地磁暴导致了2月4日卫星的快速衰减和最终坠毁 。
在世界航天史上 ， 因为地磁暴引起大气阻力增加、导致航天器轨道下降的案例不胜枚举 。 例如 ， 1973年美国发射的空间站“天空实验室”原计划运行到1983年左右（设计寿命10年） ， 但因为当时对太阳活动的监测能力有限、没有及时采取维持轨道高度的措施 ， 导致仅仅6年后该空间站就因大气阻力增加而提前陨落 。
再如 ， 2000年7月的“巴士底日事件”中 ， 因为太阳风暴引起大气密度增加 ， 国际空间站的运行轨道下降了15千米 ， 日本“宇宙学和天体物理先进卫星”也出现轨道下降和定位故障 ， 2个月后卫星丢失 。
另外根据我国气象局报道 ， 2003年发生的“万圣节太阳风暴”不仅使欧美日的多颗卫星发生不同程度损坏 ， 还使我国的“神舟五号”飞船留轨舱运行高度明显降低 ， 不得不采取措施提升飞船轨道以避免提前坠毁 。
磁场|一场地磁暴让40颗“星链”卫星坠毁，对地面关键设施也有危害
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【磁场|一场地磁暴让40颗“星链”卫星坠毁，对地面关键设施也有危害】英国索尔特本 ， “星链”计划中的卫星划过夜空
地磁暴还有哪些危害？
地磁暴不仅能对天上的航天器造成影响 ， 还能对地上的许多关键设施（特别是电线等长距离导体）造成危害 。
在变化的地磁场作用下 ， 具有较高电阻率的地面土壤中可以产生持续数分钟到几个小时的感应电势 ， 强度达到每千米若干伏特到十几伏特 。 在高压输电网络中 ， 这种感应电势会导致接地的变压器之间的输电回路中产生“地磁感应电流” ， 导致变压器寿命缩短、损坏乃至烧毁 。 更加严重的是 ， 由于地磁暴是全球性的 ， 因此可能在很大区域的电网中会有数百台变压器同时发生“半波饱和” ， 导致跳闸等错误 ， 引起系统崩溃、发生大面积停电 。 历史上 ， 这种事故发生过很多次 ， 最为著名的属卡林顿事件和魁北克停电事件：
1859年9月1日 ， 英国天文学家卡林顿观测到太阳表面北部的黑子群突然发出白色亮光（产生太阳爆发） 。 几分钟后 ， 英国格林尼治天文台探测到地球磁场发生剧烈变化 。 约18小时后 ， 地磁暴诱导产生的感应电流导致电报系统失灵 ， 有报道称当时的电报机和塔架发生了火花 ， 甚至有电线被融化 ， 夜空中产生了前所未有的极光 ， 甚至赤道附近的夏威夷地区也能观测到 。 据英国劳合社大气和环境研究公司2013年5月发布的一份报告称 ， 举例来说 ， 如果卡林顿事件发生在今天的美国 ， 可能使2000万至4000万人面临十几天到一两年的停电 ， 导致万亿美元级别的经济损失 。
1989年3月13日 ， 加拿大魁北克地区的电网因之前一次太阳风暴的影响 ， 发生大范围断电事故 ， 受直接影响的居民人数达到600万人 ， 停电时长达到9个小时 ， 造成了高达数千万美元的经济损失 。
磁场|一场地磁暴让40颗“星链”卫星坠毁，对地面关键设施也有危害
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地磁暴引起的极光现象
如何防范地磁暴？
如今 ， 世界各航天大国和强国都十分关注对太阳风暴和地磁暴等灾害性事件的观测与研究 ， 催生了“空间天气学”和“空间天气预报”业务 。
2015年10月 ， 美国政府发布了《国家空间天气战略和行动计划》 ， 将应对灾害性空间天气提升到国家战略高度 。 在我国2022年1月28日发布的《2021中国的航天》白皮书中 ， 也提到我国“初步建成空间天气保障业务体系 ， 具备监测、预警和预报能力 ， 应用服务效益不断拓展” ， 未来还将“建设天地结合的空间天气监测系统 ， 持续完善业务保障体系 ， 有效应对灾害性空间天气事件” 。
从某种意义上说 ， 防范灾害性空间天气的国家需求 ， 也为我国科技工作者提供了大有可为的广阔空间 。 例如 ， 如何实现更好的太阳立体观测 ， 从而提高对太阳爆发活动和太阳风观测的时效性、准确性？如何将太阳观测数据同地球空间环境的观测数据、地球大气探测的数据相结合 ， 打造“太阳活动-空间天气-地球天气”的综合预报能力？如何通过创新性的工程设计和新材料、新工艺的应用 ， 提高卫星（特别是星链卫星这样的微小卫星）应对太阳风暴的防护能力、轨道机动能力、燃料能源的补充能力？如何在地面上开发新的装备和措施 ， 用于增强电网等关键基础设施在地磁暴期间的稳定性、安全性？等等 。
航天技术的发展、太阳物理学和空间物理学的进步 ， 已经让人类站在“大航天时代”的门口 ， 未来随着航天成本的不断下降、商业航天活动的进一步繁荣 ， 世界各国对精准、超前的空间天气预报的需求一定还将不断增加 。 创新和探索的路上一定会出现各种挫折和损失 ， 同时也让我们收获更多知识和经验 ， 这可能就是SpaceX损失的40颗卫星带给我们的启发 。
图片来源：视觉中国

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