在5月裡，太陽共發生了21次X級大耀斑和97次M級耀斑[1]。地球磁場受到如此密集且高強度的太陽風暴影響，多次發生磁暴事件。5月11日的地磁暴更是創下了20年以來最強的記錄，大陸的高緯度地區也出現了罕見的極光，猶如漫天綻放的煙花。
5月11日因地磁暴引發的極光（圖檔來源：央視新聞）
地磁暴會對地球電離層、通訊導航系統産生短期幹擾，但是對人體幾乎沒有影響。如果你哪天覺得特别犯困或是沒力氣，那大機率是你沒有休息好，地磁暴可不背這口鍋。
真正因為地磁暴而日子不好過的，其實是在太空中的近地人造天體。同樣在5月，美國專門釋出人造天體軌道資料的網站Space-Track.org密集報告了126顆衛星和碎片的隕落資訊，大約是太陽活動平靜年份（2020年）月均隕落數量的4倍。
近地軌道空間
距離地面100至2000km的區域一般被稱作近地軌道空間，截至2024年5月1日，可觀測到22352顆人造天體運作其間，包括了10707顆正在工作或已經失效的人造衛星、953顆發射殘留的火箭體、以及1萬多個10厘米以上空間碎片等。得益于較短的通訊時延、快速的重訪周期、充分的地域覆寫等優點，很多通訊導航和科學衛星都在近地軌道上工作，比如大陸的”天宮“空間站、 量子科學實驗衛星“墨子号”、暗物質粒子探測衛星“悟空号”、 先進天基太陽天文台“誇父一号”，以及國際空間站（ISS）等。
運作在近地軌道的國際空間站（圖檔來源：NASA）
為什麼太陽地磁爆發現象和近地人造天體的隕落有關系呢？讓我們先從星鍊衛星的一次遭遇講起。
小磁暴，大損失
2022年2月初，一則星鍊衛星墜入大氣層燒毀的新聞沖上熱搜。SpaceX公司在其官方聲明中說：2月3日發射的49顆衛星“顯著地被2月4日的地磁爆發影響”，導緻其中的40顆脫離了軌道，再入地球大氣層。
事後分析表明，這批星鍊衛星當時正處于210km的測試軌道，2月3日至4日因為太陽活動引發了一次地磁暴，軌道附近的大氣密度增大了約50%，衛星受到的大氣阻力顯著增加[2]。盡管星鍊團隊及時将衛星調整為側飛姿态，試圖減小迎風面積和大氣阻力，卻依然未能成功保持和繼續擡升軌道高度，導緻40顆衛星在後續幾天墜入更低的稠密大氣層中燒毀（另一說法是38顆[3]）。按照衛星造價和火箭發射成本估算，這次事故大約造成5千萬美元的損失[4]。
在北美洲波多黎各上空由Sociedad de Astronomia del Caribe (SAC)的相機拍攝到的星鍊衛星在隕落過程中解體燃燒的影像（圖檔來源：euronews）
這是人類第一次公開記錄到批量衛星因地磁暴導緻的大氣阻力增加而同時隕落的事件。深邃夜空中星辰墜落、火樹銀花的場面非常震撼，但更令人擔憂的是——地磁暴竟然能對近地人造天體産生如此嚴重的影響！
這次事件給人類敲響了警鐘。目前太陽活動呈現趨向峰值的活躍态勢，地磁爆發事件将不可避免地更加頻繁、更加劇烈。今後一段時期裡，近地人造天體的運作将會面臨太陽和地磁爆發的嚴峻威脅。
為什麼地磁暴會導緻衛星隕落？
正如星鍊衛星隕落事件所揭示的——地磁暴對于衛星軌道的影響主要在于提高了高層大氣的密度。
高層大氣是指距離地面80km以上的大氣圈層，其中800km以下熱層區域中性氣體的成分主要為氮氣、氧氣，以及氮、氧、氦的原子。在太陽耀斑事件發生後，極紫外波段的太陽輻射在短期内顯著增強，熱層被加熱膨脹，低層相對稠密的大氣擴散到更高層，引起密度增大；同時，地磁暴還引發焦耳加熱和電離、極光粒子沉降、低層大氣上湧、大氣環流等一系列複雜實體過程，使得高層大氣的密度顯著增大。
密度增大，意味着相同體積内的氣體粒子數目增多，氣體總品質增大，進而對人造天體的表面産生更大的阻力，減緩了運動速度，消耗了飛行動能，降低了軌道高度，導緻人造天體遭遇更稠密的大氣環境，這種“鍊式反應”使得軌道高度加速衰減。
地球大氣不同圈層的高度示意圖，80km至800km左右是中性氣體組成的熱層，以及處于部分電離狀态的電離層（圖檔來源：NOAA）
以大陸的“悟空”号暗物質粒子探測衛星（DAMPE）、美國的MINOTAUR 4碎片為例，2016年兩者軌道都在500km附近，之後6年恰逢太陽活動低年，輻射強度相對較低，地磁活動總體平靜，大氣密度保持在較低水準，軌道高度衰減比較緩慢。而在2022年之後，太陽輻射持續增強且伴随多次短期爆發，大氣密度升高引起阻力增大，兩個目标的軌道半長軸均出現加速衰減的趨勢，其中MINOTAUR 4碎片的尺寸比DAMPE大1個量級（下圖中用彈道系數Bc表征），軌道衰減更顯劇烈，2年多來高度已下降100km。
DAMPE和MINOTAUR 4碎片的軌道半長軸長期衰減以及與太陽輻射強度的關系（圖檔資料來源：Space-Track）
在5月11日的特大地磁暴中，一顆NORAD（北美防空司令部目錄序号）編号為57453的空間碎片隕落。追溯其曆史軌道發現，4月6日它仍處于400km高度，按正常推算不應該如此迅速地再入大氣層。然而在短短1個月間，接連發生了數十次太陽耀斑，引發了4次中等以上強度的地磁暴，使得高層大氣密度不斷升高，加速了碎片的隕落。
如下圖中的褐色實線顯示，這顆空間碎片的軌道衰減經曆了3次明顯加速，第一次發生在4月18日前後，衰減速度從原來的每天下降683m，突然增大到每天下降3.48km；第二次和第三次都發生在5月5日至11日太陽連續多次的爆發階段，特别是遭遇了從10日開始持續40小時的特大磁暴，衰減速度最終增大到每天83km，直接導緻了該碎片的隕落。
編号57453碎片軌道高度的3次加速衰減以及與太陽和地磁爆發事件的對應關系(2024-04-05至05-17).（圖檔資料來源：Space-Track）
值得慶幸的是，通常米級或更小的人造天體隕落時會在大氣層内燃燒解體，對人類安全和地表環境的影響很小。
太陽活動進入高峰期
太陽在爆發過程中向外噴射大量日冕物質，這些帶電高能粒子雲如果擊中地球，與地球磁層耦合，就會引發地磁暴。是以，對人造天體的保護需要格外注重對太陽活動的監測。
從1947年起，人們就利用地面望遠鏡對太陽10.7cm波長的射電輻射流量進行不間斷的測量，以此表征太陽活動的強弱變化。從下圖a中可以看到，太陽活動有大約11年的基本周期，而地磁場擾動的變化周期與這一周期保持高度同步。
人們常用Kp指數或ap指數表示地球磁場的活躍程度（被擾動的等級），如果以Kp≥4或者每日最大ap≥56作為較顯著擾動的門限，每年的地磁擾動天數會随着太陽活動強弱而漲落（下圖b,c）。
自1970年以來(a)太陽射電波段輻射流量F10.7，(b)每日最大地磁指數ap，(c)按年度統計Kp≥4或每日最大ap≥56的地磁擾動天數（圖檔資料來源：CelesTrak）
太陽的第24個活動周期已于2019年12月結束，它是振幅偏低的一個太陽活動周期，地磁場受到擾動的天數也相應偏少。從2020年開始，太陽進入第25周的上升階段，輻射水準不斷升高，地磁擾動天數逐年增多。尤其是2024年以來太陽活動愈發頻繁且劇烈[5]，研究估計，太陽可能在今年晚些時候進入第25個活動周的極大期，而最大的地磁暴一般出現在這個峰值的數月至數年之後[6]。未來一段時期，地球周圍的空間環境猶如驚濤拍岸，波瀾起伏。
未來一段時間，地球周圍空間環境将波瀾起伏（圖檔來源：國家空間科學中心）
為延長航天器的在軌時間和工作壽命，在任務設計階段就應當準确預測未來數年（或任務期限）内的太陽活動水準，進而儲備充足的燃料，進行必要的軌道保持。以國際空間站ISS為例，在太陽活動平靜的年份（2019、2020年），2年間主動升高軌道17次（包括為規避碰撞風險實施的5次機動）；而在太陽活動較強的年份（2022年7月至今），為保持軌道高度，ISS主動擡升軌道多達32次，相比于太陽平靜期增加了約1倍。
國際空間站ISS在不同太陽活動水準時的軌道機動（主動擡升軌道）的次數對比，(a)是平靜太陽活動期，(b)是較強太陽活動期。（圖檔資料來源：Space-Track）
地磁暴對高層大氣的影響難以捉摸
目前，對于地磁暴引起的高層大氣密度的變化，世界各國都難以準确預報。以2003年11月19日至23日的大磁暴為例（ap最大值300，Dst最小值-422，下圖中藍色圓點代表Dst數值），重力衛星CHAMP和GRACE-A衛星同時記錄了大氣密度的短期劇烈擡升現象（下圖中靛藍色粗線）：CHAMP衛星當時位于400km高度，地磁爆發後僅1天，大氣密度增大了近5倍；GRACE-A衛星記錄到500km的密度增大了近7倍。用3種最新大氣模型（DTM2020，JB2008和MSIS2.0）模拟此次事件中大氣密度的變化（圖中紅、紫、褐色細線），與實測對比可見，3種模型在平靜期密度、第一響應時間、峰值時刻、密度峰值等方面存在較大偏差。
更具挑戰的是，目前還沒有一個全球尺度上最優的模型可以精确預報高層大氣的密度分布和變化。長期以來，它是限制近地人造天體軌道預報精度的瓶頸之一，是以，對于整體大氣層的預測，也被美國海軍實驗室(NRL)列入《2023-2048的25項技術》報告。
2003年11月19日至23日大磁暴期間每小時Dst指數，CHAMP和GRACE-A衛星觀測的大氣密度和經驗大氣模型計算值。Dst指數是利用赤道附近低緯度地磁站測量磁場強度的水準分量權重換算而得，反映磁場擾動的強弱，Dst≤-200為特大磁暴。（圖檔來源：https://sol.spacenvironment.net/JB2008/）
山雨欲來風滿樓，2024~2026年被認為是太陽活動第25周的峰年階段，很可能導緻更為頻繁且強烈的地磁暴事件。近地人造天體的軌道将遭受更大的阻力而加速衰減；以星鍊為代表的巨型星座發射和運控将經受更多風暴考驗；載人空間站、低軌科學和應用衛星也需進行更頻繁的軌道機動和姿态控制。是以，密切監測太陽活動，從實體機制和統計模型兩個方面準确預測太陽和地磁爆發事件對地球高層大氣的影響，提高近地人造天體軌道的預報精度，對保障航天活動和空間安全具有重要意義。
參考文獻：
[1] 中國科學院國家空間科學中心, 空間環境預報中心網站 http://www.sepc.ac.cn
[2] 羅冰顯等, “星鍊”衛星毀于地磁暴事件空間環境分析, 國際太空, 2022-05
[3] Berger T.E., et.al, The Thermosphere is a Drag: The 2022 Starlink Incident and the Threat of Geomagnetic Storms to Low Earth Orbit Space Operations, Space Weather, 21,e2022SW003330, 2023
[4] SpaceX starlink satellite’s flaming re-entry caught on camera after geomagnetic storm, www.euronews.com, 2022-02-11
[5] 誇父速報丨9天,11個X級耀斑, 中國科學院紫金山天文台, 2024-05-12
[6] Dazzling auroras are just a warm-up as more solar storms are likely, scientists say, Nature, News Explainer, https://doi.org/10.1038/d41586-024-01432-7, 2024-05-13
作者簡介
汪宏波，中國科學院紫金山天文台副研究員，研究方向：高層大氣密度模型研究，近地人造天體軌道的高精度預報方法。