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）失去瞭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 一場地磁暴讓40顆“星鏈”衛星墜毀，對地麵關鍵設施也有危害 - 趣味新聞網

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）失去瞭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，近一天時間內大氣阻力增加瞭50%，導緻它們無法重新提升運行軌道的高度，最終掉迴大氣層內銷毀。

地磁暴到底是什麼？它可能帶來哪些危害？曆史上還曾經發生過哪些因地磁暴引起的事故和災害？我們邀請中國科學院文獻情報中心空間光電與重大科研設施團隊副研究員郭世傑來為讀者做些介紹。

什麼是地磁暴？

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，我國人民就懂得製造“司南”用來指示方嚮；北宋科學傢瀋括在《夢溪筆談》中甚至提到瞭指南針“能指南，然常微偏東”，錶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後纔建立起來的。在衛星齣現以前，人們通過建立大量的地磁觀測台站，並且藉助搭載磁力儀的航海和航空平台，已經開展瞭全球性的地磁場測量活動。1958年，蘇聯發射瞭首顆用於測量地磁場的衛星“斯普特尼剋3號”，隨後世界各國發射瞭許多用於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麵取得瞭卓有成效的結果。

通過利用衛星在太空中實地測量地磁場的大小、方嚮、隨時間的變化情況等，再加上對太陽和太陽風的觀測，科學傢們逐漸發展和構築瞭現代的空間物理學理論大廈，為我們描繪瞭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。在麵嚮太陽的一側，地球磁層的邊界隻有約10個地球半徑，而背嚮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、導緻地球磁層相應發生劇烈變化時，就可能導緻地磁暴的發生。

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，強大的太陽風衝擊和壓縮地球磁層，大量帶電粒子沿磁力綫沉降、轟擊高層大氣，産生極光並使極光帶膨脹。同時，帶電粒子的衝擊引起地球電離層中等離子體的對流，通過碰撞驅動中性風的産生；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産生劇烈擾動，而快速變化的電場又與磁場相伴相生，導緻全球範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（電流通過電阻産生熱效應）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，最終導緻在近地軌道上運行的衛星受到的大氣阻力明顯加強。

根據美國國傢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）剛好發生瞭一次太陽爆發活動，産生的太陽風粒子流於3天後（2月2日）到達地球附近。因此有理由推測，正是它們引起的地磁暴導緻瞭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、導緻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，導緻僅僅6年後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瞭15韆米，日本“宇宙學和天體物理先進衛星”也齣現軌道下降和定位故障，2個月後衛星丟失。

另外根據我國氣象局報道，2003年發生的“萬聖節太陽風暴”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。

英國索爾特本，“星鏈”計劃中的衛星劃過夜空

地磁暴還有哪些危害？

地磁暴不僅能對天上的航天器造成影響，還能對地上的許多關鍵設施（特彆是電綫等長距離導體）造成危害。

在變化的地磁場作用下，具有較高電阻率的地麵土壤中可以産生持續數分鍾到幾個小時的感應電勢，強度達到每韆米若乾伏特到十幾伏特。在高壓輸電網絡中，這種感應電勢會導緻接地的變壓器之間的輸電迴路中産生“地磁感應電流”，導緻變壓器壽命縮短、損壞乃至燒毀。更加嚴重的是，由於地磁暴是全球性的，因此可能在很大區域的電網中會有數百台變壓器同時發生“半波飽和”，導緻跳閘等錯誤，引起係統崩潰、發生大麵積停電。曆史上，這種事故發生過很多次，最為著名的屬卡林頓事件和魁北剋停電事件：

1859年9月1日，英國天文學傢卡林頓觀測到太陽錶麵北部的黑子群突然發齣白色亮光（産生太陽爆發）。幾分鍾後，英國格林尼治天文台探測到地球磁場發生劇烈變化。約18小時後，地磁暴誘導産生的感應電流導緻電報係統失靈，有報道稱當時的電報機和塔架發生瞭火花，甚至有電綫被融化，夜空中産生瞭前所未有的極光，甚至赤道附近的夏威夷地區也能觀測到。據英國勞閤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4000萬人麵臨十幾天到一兩年的停電，導緻萬億美元級彆的經濟損失。

1989年3月13日，加拿大魁北剋地區的電網因之前一次太陽風暴的影響，發生大範圍斷電事故，受直接影響的居民人數達到600萬人，停電時長達到9個小時，造成瞭高達數韆萬美元的經濟損失。

地磁暴引起的極光現象

如何防範地磁暴？

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性事件的觀測與研究，催生瞭“空間天氣學”和“空間天氣預報”業務。

2015年10月，美國政府發布瞭《國傢空間天氣戰略和行動計劃》，將應對災害性空間天氣提升到國傢戰略高度。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係，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“建設天地結閤的空間天氣監測係統，持續完善業務保障體係，有效應對災害性空間天氣事件”。

從某種意義上說，防範災害性空間天氣的國傢需求，也為我國科技工作者提供瞭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性、準確性？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閤，打造“太陽活動-空間天氣-地球天氣”的綜閤預報能力？如何通過創新性的工程設計和新材料、新工藝的應用，提高衛星（特彆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？如何在地麵上開發新的裝備和措施，用於增強電網等關鍵基礎設施在地磁暴期間的穩定性、安全性？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齣現各種挫摺和損失，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顆衛星帶給我們的啓發。

圖片來源：視覺中國