在5月里，太阳共发生了21次X级大耀斑和97次M级耀斑[1]。地球磁场受到如此密集且高强度的太阳风暴影响，多次发生磁暴事件。5月11日的地磁暴更是创下了20年以来最强的记录，大陆的高纬度地区也出现了罕见的极光，犹如漫天绽放的烟花。
5月11日因地磁暴引发的极光（图片来源：央视新闻）
地磁暴会对地球电离层、通讯导航系统产生短期干扰，但是对人体几乎没有影响。如果你哪天觉得特别犯困或是没力气，那大概率是你没有休息好，地磁暴可不背这口锅。
真正因为地磁暴而日子不好过的，其实是在太空中的近地人造天体。同样在5月，美国专门发布人造天体轨道数据的网站Space-Track.org密集报告了126颗卫星和碎片的陨落信息，大约是太阳活动平静年份（2020年）月均陨落数量的4倍。
近地轨道空间
距离地面100至2000km的区域一般被称作近地轨道空间，截至2024年5月1日，可观测到22352颗人造天体运行其间，包括了10707颗正在工作或已经失效的人造卫星、953颗发射残留的火箭体、以及1万多个10厘米以上空间碎片等。得益于较短的通讯时延、快速的重访周期、充分的地域覆盖等优点，很多通讯导航和科学卫星都在近地轨道上工作，比如大陆的”天宫“空间站、 量子科学实验卫星“墨子号”、暗物质粒子探测卫星“悟空号”、 先进天基太阳天文台“夸父一号”，以及国际空间站（ISS）等。
运行在近地轨道的国际空间站（图片来源：NASA）
为什么太阳地磁爆发现象和近地人造天体的陨落有关系呢？让我们先从星链卫星的一次遭遇讲起。
小磁暴，大损失
2022年2月初，一则星链卫星坠入大气层烧毁的新闻冲上热搜。SpaceX公司在其官方声明中说：2月3日发射的49颗卫星“显著地被2月4日的地磁爆发影响”，导致其中的40颗脱离了轨道，再入地球大气层。
事后分析表明，这批星链卫星当时正处于210km的测试轨道，2月3日至4日因为太阳活动引发了一次地磁暴，轨道附近的大气密度增大了约50%，卫星受到的大气阻力显著增加[2]。尽管星链团队及时将卫星调整为侧飞姿态，试图减小迎风面积和大气阻力，却依然未能成功保持和继续抬升轨道高度，导致40颗卫星在后续几天坠入更低的稠密大气层中烧毁（另一说法是38颗[3]）。按照卫星造价和火箭发射成本估算，这次事故大约造成5千万美元的损失[4]。
在北美洲波多黎各上空由Sociedad de Astronomia del Caribe (SAC)的相机拍摄到的星链卫星在陨落过程中解体燃烧的影像（图片来源：euronews）
这是人类第一次公开记录到批量卫星因地磁暴导致的大气阻力增加而同时陨落的事件。深邃夜空中星辰坠落、火树银花的场面非常震撼，但更令人担忧的是——地磁暴竟然能对近地人造天体产生如此严重的影响！
这次事件给人类敲响了警钟。当前太阳活动呈现趋向峰值的活跃态势，地磁爆发事件将不可避免地更加频繁、更加剧烈。今后一段时期里，近地人造天体的运行将会面临太阳和地磁爆发的严峻威胁。
为什么地磁暴会导致卫星陨落？
正如星链卫星陨落事件所揭示的——地磁暴对于卫星轨道的影响主要在于提高了高层大气的密度。
高层大气是指距离地面80km以上的大气圈层，其中800km以下热层区域中性气体的成分主要为氮气、氧气，以及氮、氧、氦的原子。在太阳耀斑事件发生后，极紫外波段的太阳辐射在短期内显著增强，热层被加热膨胀，低层相对稠密的大气扩散到更高层，引起密度增大；同时，地磁暴还引发焦耳加热和电离、极光粒子沉降、低层大气上涌、大气环流等一系列复杂物理过程，使得高层大气的密度显著增大。
密度增大，意味着相同体积内的气体粒子数目增多，气体总质量增大，从而对人造天体的表面产生更大的阻力，减缓了运动速度，消耗了飞行动能，降低了轨道高度，导致人造天体遭遇更稠密的大气环境，这种“链式反应”使得轨道高度加速衰减。
地球大气不同圈层的高度示意图，80km至800km左右是中性气体组成的热层，以及处于部分电离状态的电离层（图片来源：NOAA）
以大陆的“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）、美国的MINOTAUR 4碎片为例，2016年两者轨道都在500km附近，之后6年恰逢太阳活动低年，辐射强度相对较低，地磁活动总体平静，大气密度保持在较低水平，轨道高度衰减比较缓慢。而在2022年之后，太阳辐射持续增强且伴随多次短期爆发，大气密度升高引起阻力增大，两个目标的轨道半长轴均出现加速衰减的趋势，其中MINOTAUR 4碎片的尺寸比DAMPE大1个量级（下图中用弹道系数Bc表征），轨道衰减更显剧烈，2年多来高度已下降100km。
DAMPE和MINOTAUR 4碎片的轨道半长轴长期衰减以及与太阳辐射强度的关系（图片数据来源：Space-Track）
在5月11日的特大地磁暴中，一颗NORAD（北美防空司令部目录序号）编号为57453的空间碎片陨落。追溯其历史轨道发现，4月6日它仍处于400km高度，按常规推算不应该如此迅速地再入大气层。然而在短短1个月间，接连发生了数十次太阳耀斑，引发了4次中等以上强度的地磁暴，使得高层大气密度不断升高，加速了碎片的陨落。
如下图中的褐色实线显示，这颗空间碎片的轨道衰减经历了3次明显加速，第一次发生在4月18日前后，衰减速度从原来的每天下降683m，突然增大到每天下降3.48km；第二次和第三次都发生在5月5日至11日太阳连续多次的爆发阶段，特别是遭遇了从10日开始持续40小时的特大磁暴，衰减速度最终增大到每天83km，直接导致了该碎片的陨落。
编号57453碎片轨道高度的3次加速衰减以及与太阳和地磁爆发事件的对应关系(2024-04-05至05-17).（图片数据来源：Space-Track）
值得庆幸的是，通常米级或更小的人造天体陨落时会在大气层内燃烧解体，对人类安全和地表环境的影响很小。
太阳活动进入高峰期
太阳在爆发过程中向外喷射大量日冕物质，这些带电高能粒子云如果击中地球，与地球磁层耦合，就会引发地磁暴。因此，对人造天体的保护需要格外注重对太阳活动的监测。
从1947年起，人们就利用地面望远镜对太阳10.7cm波长的射电辐射流量进行不间断的测量，以此表征太阳活动的强弱变化。从下图a中可以看到，太阳活动有大约11年的基本周期，而地磁场扰动的变化周期与这一周期保持高度同步。
人们常用Kp指数或ap指数表示地球磁场的活跃程度（被扰动的等级），如果以Kp≥4或者每日最大ap≥56作为较显著扰动的门限，每年的地磁扰动天数会随着太阳活动强弱而涨落（下图b,c）。
自1970年以来(a)太阳射电波段辐射流量F10.7，(b)每日最大地磁指数ap，(c)按年度统计Kp≥4或每日最大ap≥56的地磁扰动天数（图片数据来源：CelesTrak）
太阳的第24个活动周期已于2019年12月结束，它是振幅偏低的一个太阳活动周期，地磁场受到扰动的天数也相应偏少。从2020年开始，太阳进入第25周的上升阶段，辐射水平不断升高，地磁扰动天数逐年增多。尤其是2024年以来太阳活动愈发频繁且剧烈[5]，研究估计，太阳可能在今年晚些时候进入第25个活动周的极大期，而最大的地磁暴一般出现在这个峰值的数月至数年之后[6]。未来一段时期，地球周围的空间环境犹如惊涛拍岸，波澜起伏。
未来一段时间，地球周围空间环境将波澜起伏（图片来源：国家空间科学中心）
为延长航天器的在轨时间和工作寿命，在任务设计阶段就应当准确预测未来数年（或任务期限）内的太阳活动水平，从而储备充足的燃料，进行必要的轨道保持。以国际空间站ISS为例，在太阳活动平静的年份（2019、2020年），2年间主动升高轨道17次（包括为规避碰撞风险实施的5次机动）；而在太阳活动较强的年份（2022年7月至今），为保持轨道高度，ISS主动抬升轨道多达32次，相比于太阳平静期增加了约1倍。
国际空间站ISS在不同太阳活动水平时的轨道机动（主动抬升轨道）的次数对比，(a)是平静太阳活动期，(b)是较强太阳活动期。（图片数据来源：Space-Track）
地磁暴对高层大气的影响难以捉摸
当前，对于地磁暴引起的高层大气密度的变化，世界各国都难以准确预报。以2003年11月19日至23日的大磁暴为例（ap最大值300，Dst最小值-422，下图中蓝色圆点代表Dst数值），重力卫星CHAMP和GRACE-A卫星同时记录了大气密度的短期剧烈抬升现象（下图中靛蓝色粗线）：CHAMP卫星当时位于400km高度，地磁爆发后仅1天，大气密度增大了近5倍；GRACE-A卫星记录到500km的密度增大了近7倍。用3种最新大气模型（DTM2020，JB2008和MSIS2.0）模拟此次事件中大气密度的变化（图中红、紫、褐色细线），与实测对比可见，3种模型在平静期密度、第一响应时间、峰值时刻、密度峰值等方面存在较大偏差。
更具挑战的是，目前还没有一个全球尺度上最优的模型可以精确预报高层大气的密度分布和变化。长期以来，它是限制近地人造天体轨道预报精度的瓶颈之一，因此，对于整体大气层的预测，也被美国海军实验室(NRL)列入《2023-2048的25项技术》报告。
2003年11月19日至23日大磁暴期间每小时Dst指数，CHAMP和GRACE-A卫星观测的大气密度和经验大气模型计算值。Dst指数是利用赤道附近低纬度地磁站测量磁场强度的水平分量加权换算而得，反映磁场扰动的强弱，Dst≤-200为特大磁暴。（图片来源：https://sol.spacenvironment.net/JB2008/）
山雨欲来风满楼，2024~2026年被认为是太阳活动第25周的峰年阶段，很可能导致更为频繁且强烈的地磁暴事件。近地人造天体的轨道将遭受更大的阻力而加速衰减；以星链为代表的巨型星座发射和运控将经受更多风暴考验；载人空间站、低轨科学和应用卫星也需进行更频繁的轨道机动和姿态控制。因此，密切监测太阳活动，从物理机制和统计模型两个方面准确预测太阳和地磁爆发事件对地球高层大气的影响，提高近地人造天体轨道的预报精度，对保障航天活动和空间安全具有重要意义。
参考文献：
[1] 中国科学院国家空间科学中心, 空间环境预报中心网站 http://www.sepc.ac.cn
[2] 罗冰显等, “星链”卫星毁于地磁暴事件空间环境分析, 国际太空, 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] 夸父速报丨9天,11个X级耀斑, 中国科学院紫金山天文台, 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
作者简介
汪宏波，中国科学院紫金山天文台副研究员，研究方向：高层大气密度模型研究，近地人造天体轨道的高精度预报方法。