根据中国气象局国家空间天气监测预警中心7月5日的公告，从北京时间7月4日早8时起，地球磁场连续24小时发生磁暴，起因是7月1日太阳活动区14479爆发了X1.1级耀斑，并伴随日冕物质抛射。7月5日凌晨4时41分，太阳再次爆发X1.3级耀斑，北美地区20MHz以下频段短波通讯一度无法使用。幸运的是，这次爆发发生时我国大部分地区处于夜间，电离层受到的影响有限。
（数据来源：新华社）
每当这个时候，咱普通老百姓看到的是极光拍照攻略，但航天工程师关心的是这次的磁暴，全球哪些卫星轨道在加速衰减，哪些卫星上的元器件在承受粒子轰击，哪颗卫星今天晚上需要启动推进器调轨，哪些卫星会持续不断坠落。而我每次在国家磁暴预警发出来，第一反应不是看极光在哪里，而是看Kp指数到了那个程度。
◍磁暴加热大气让卫星像在糖浆里飞
磁暴对卫星的伤害，很多人认为是辐射和电磁干扰，但更持续、影响更广的是大气膨胀引发的轨道衰减。太阳等离子体到达地球后，会对中高层大气加热，大气受热膨胀向上延伸，原本几乎真空的低轨空间突然变得拥挤起来。运行在这个高度的卫星受到的空气阻力急剧增大，轨道持续下沉。这个过程对于天上的航天器来说不是一次冲击，而是持续侵蚀，更严重的情况将导致卫星的坠落。
根据全球卫星管理领域的公开研究，在正常太阳活动条件下，对卫星24小时内的轨道预报误差基本控制在100米以内。但太阳活动频繁时，卫星实际位置与预测位置的偏差可能超过1公里。这对星座卫星的碰撞规避计算和测控调度来说，压力是非常大的。
（图片来源：新华社）
◍一颗磁暴吞掉了38颗星链卫星的经过
2022年2月，SpaceX发射的49颗星链卫星，其中38至40颗因磁暴引发的大气密度增加，未能爬升到预定轨道，最终再入大气层销毁。这被认为是单次太阳活动造成的最大规模商业卫星损失。不幸的是，这批卫星发射之后恰好遭遇磁暴，大气阻力大幅增加，轨道提升机动消耗完推进剂也追不上大气阻力，最终失去了进入预定轨道的机会。
此后，统计数据开始显示出一个更加诡异的规律。根据公开研究报告，大约70%的卫星坠落并不发生在强磁暴期间，而是在中等和弱磁暴期间，原因是强磁暴持续时间短，弱磁暴持续时间长。弱磁暴像一把慢刀，不是一次砍断，而是日复一日地削减卫星轨道高度，把卫星推向最终无法自救的临界点。从2020年到2024年，星链累计坠落583颗卫星，2022年99颗，2023年88颗，2024年一年就坠落了316颗，同比增加了259%。这个增幅的背后，就是第25太阳活动周期正在进入高峰期。
（数据来源：新华社）
◍北美农民因磁暴被迫停止种植
2024年5月10日到11日发生了近20年来最强的一次G5级的磁暴，美国国家海洋和大气管理局将其定性为“自2003年以来最极端的磁暴”。这次磁暴的Dst指数最低达到-412纳特斯拉，远超G5级门槛，根据官方公布的消息，GOES-16气象卫星出现了约两小时的数据传输中断。
《纽约时报》的消息称，美国约翰迪尔、即时运动定位等农业精准导航设备用户反映，磁暴期间GPS定位精度急剧下降，部分农业工人被迫完全暂停种植活动。精准农业使用GPS接收器引导拖拉机，超过50%的美国玉米、棉花等大宗农作物使用自动导航技术。内布拉斯加州农民凯文·肯尼对媒体说：“我们正处于玉米播种的关键时期，所有的拖拉机都停在地头，因为太阳风暴导致GPS失灵。”GPS暂时失效对农业生产的影响，磁暴的影响已经从太空延伸到餐桌。
◍万星时代的磁暴不再是小概率问题
2025年是第25太阳活动周期的高峰年，此后仍将持续一段时间的高活跃状态。这个时间节点，恰好与我国千帆星座和GW星座的密集组网窗口重叠。千帆星座计划2026年底实现初步全球覆盖，在轨卫星将超过300颗，长期目标超过1万颗，而GW星座的规模更大，同时还有吉林一号遥感星座、中科西光高光谱星座、吉利出行导航星座、在轨算力星座等。当低轨空间的卫星数量从几千颗扩展到数万颗，任何一次中等强度的磁暴，都会对更大规模的卫星群产生系统性影响，而单次事件的工程处置复杂度远超现有的经验。
（数据来源：新华社）
今年4月9日我国成功发射了“微笑”卫星，中欧联合研制的这颗卫星，搭载了软X射线成像仪和紫外极光成像仪，将首次对太阳风与地球磁层的相互作用进行整体成像观测，而不是此前的单点就位测量。这套观测数据能够帮助科学家在磁暴发生前的一到三天窗口期内，提高磁暴强度和持续时间的预报精度。预报精度每提高一个层级，卫星运营商就能多争取到几小时的轨道规避和设备保护准备时间。
◍空间天气预报是下一个卫星产业的基础设施
我国目前建立了以子午工程为核心的空间天气监测预警系统，之前我在“蒋院长讲航天”的科普视频里专门讲过，子午工程二期的圆环阵太阳射电成像望远镜已于2023年建成，为太阳活动监测提供了新的地基观测能力，实时监测太阳活动和地磁场变化，面向航天任务提供空间天气服务。这套体系的意义，在低轨卫星数量还只有几百颗的时代是重要的，在数万颗卫星的时代将是不可替代的。
一次X1.3级耀斑，从太阳到地球大约需要一到三天。磁暴过境之后，地面上看不到什么，但低轨道上那些卫星的推进剂消耗记录里，会多了一项非计划的轨道维持机动。这个成本乘以几万颗卫星，就变成了整个星座系统的一笔隐性账单。一颗正在爆发的太阳活动，一段正在膨胀的中高层大气，一批正在消耗推进剂维持轨道的卫星，这不得不引起重视。
作者简介：蒋鹏飞，人民一号卫星与星云星座总设计师，高级工程师，北京神飞航天应用技术研究院副院长，二十年商业航天一线研发，“蒋院长讲航天”科普新媒体矩阵主理人，著有航天科幻文学《你好人类：逆光行动》，同名改编少儿短剧《逆光行动》，在人民日报、财联社、抖音、视频号等20个平台开设栏目，年累计触达受众超1亿人次。
编辑：航天知识局 审校：张丽
热门跟贴