来源：交汇点新闻客户端
交汇点讯 美国太空探索技术公司（SpaceX）官方网站近日发布消息称，由于遭遇地磁暴，该公司2月3日发射的49颗星链卫星中，有多达40颗卫星于次日已经或将要坠入大气层损毁。这让“地磁暴”这一略显神秘的概念重新进入公众视野。
什么是地磁暴？为什么这批星链卫星未能抵抗得住？这么庞大且花费巨大的工程，为什么没有考虑到这种现象的影响？科技周刊记者采访了江苏省天文学会科技传播专家、南京大学天文与空间科学学院副教授、“羲和号”卫星科学与应用系统总设计师李川。
太阳进入活跃期，引发地磁场等环境突变
地球表面不仅被大气层包围，同时还存在一把看不见，摸不着的天然保护伞——地球磁场。“地磁场是指产生于地球的内部，并延伸到地外空间的磁场。”李川解释，地磁场是通过地核内液态铁通过“磁流体发电机”而形成的，它不光分布于地表附近，还分布在地球周围的空间之中，而地磁暴就是地球附近空间磁场的强烈扰动。
事实上，地磁暴现象是一个相对常见的自然现象，这一切都源自于太阳活动所产生的太阳风的扰动，比如日冕物质抛射。“日冕物质抛射到达地球，带来地球磁场的扰动，如果扰动足够强烈，就会产生地磁暴。”李川说，太阳活动峰年期间，地磁暴发生次数更多，级别也更高。
当太阳表面活动旺盛，特别是在太阳黑子极大期时，太阳耀斑爆发次数也会增加，耀斑爆发时会辐射出强烈的X射线、紫外线，引起电离层的扰动，同时会产生大规模的日冕物质抛射，引起地球磁场的强度和方向发生急剧不规则变化，这就是地磁暴。
19世纪30年代，在德国科学家高斯和韦伯建立地磁台站之初，他们就发现地磁场经常有微小的起伏变化，但当时他们并没有认识到这是由太阳引起的。之后，1859年9月1日，英国人卡林顿在观察太阳黑子时，首先观测到了太阳耀斑。第二天，地磁台站记录到1600纳特斯拉的强烈地磁扰动。这个偶然的发现和巧合，使他认识到地磁扰动居然与太阳爆发活动有关。
“这次星链卫星损毁事件期间遇到的地磁暴，属于级别较低的地磁暴。”李川告诉记者。通常使用Dst指数（磁暴环电流指数）来表征地磁扰动的强弱。原来在地球赤道附近，按大致均匀的经度间隔选取几个地磁台站，“这几个台站每小时地磁水平强度变化的平均值即为Dst指数。”李川介绍，它的单位是纳特斯拉，其范围可由正几十纳特斯拉到负几千纳特斯拉不止，并且其值逐渐减小表示磁扰幅度逐渐增大。
低级别地磁暴对于普通在轨卫星影响不大，基本可控。“这次星链卫星事件，是由1月30日前后发生的中等规模的日冕抛射物质事件引起。”太阳风携带的等离子体团，2月3日到达地球附近后，与地球磁场相互作用，从而产生地磁暴。
带来极光多彩绚烂，也对航天器构成威胁
对地磁暴这个概念，一般人可能比较陌生，但是地磁暴有一个非常著名的副产品——极光。这是在地面唯一可以用肉眼看到的由地磁暴引发的外在空间现象。
李川说，当太阳风中包含南向磁场的等离子体物质到达地球，与地球磁场相互作用，在磁尾处产生能量释放，加速带电粒子，这些粒子到达两极区域，与大气层里的原子、分子发生碰撞，产生电离，就会形成极光现象。极光虽然好看，但越绚烂的极光意味着地磁暴就会越强烈，对航天器的威胁也就越大。
据介绍，地磁暴能加热地球高层大气，从而引起大气的膨胀。被加热的空气上升，使得近地轨道大气密度显著增加。在磁暴期间，空间中电子和离子的数量和能量也会显著增加，这会引起航天器表面充电甚至内部充电效应，从而危害航天器安全。“对于低轨卫星来说，地磁暴的主要影响应该还是大气阻力增加导致的轨道衰减问题。”李川表示，大气密度的增加，将导致航天器受到的大气阻力增加，航天器速度减小，航天器轨道衰减加速，极端情况可能导致航天器陨落。”
值得强调的是，地磁暴期间，保护地球的磁场结构会发生改变，很多处在更高轨道的卫星，比如同步卫星，就会暴露于不同磁场和等离子环境，从而受到高能粒子的直接攻击，甚至导致一些卫星器件失效。
强大的太阳爆发事件可能导致强烈的地磁暴，并影响轨道上的卫星或地面上的基础设施，比如在20世纪就有两个著名例子。1979年，美国的“天空实验室”（Skylab）在轨期间处于太阳活动高年，由于多次地磁暴的累积效应，地球大气层的膨胀使得“天空实验室”受到的大气阻力剧增，轨道加快衰减，“天空实验室”比预期更快坠入大气层烧毁。
1989年，一场地磁暴使得加拿大魁北克省的电网过载，导致该地区出现大范围的断电事故，持续了9-12个小时。另据报道，几乎同一时期，美国空间目标跟踪系统上千个目标需要重新定位，新发射飞行物的跟踪辨认困难。
事实上，我们正在经历一个新的、大约11年的太阳活动周期。美国国家海洋和大气管理局和美国国家航空航天局的科学家表示，第25个太阳周期在2019年12月拉开序幕，太阳活动慢慢加剧，预计2025年7月达到峰值，然后回落，到2030年左右结束。
因此，有科学家发出警告，未来几年随着太阳逐渐进入一个活跃高峰期，地磁暴发生的频率会大大增加，届时将会有更多的在轨卫星会受到地磁暴的影响，必须引起各国的重视。
预测地磁暴，未来还有很长的路要走
对于地磁暴现象，有没有一些预报或者预警呢？“这就是所谓的空间天气预报。其实，空间天气预报首先要做的是对太阳活动进行预报。”李川说，一般情况下，太阳风暴发生时，就要预测一下太阳风暴所产生的电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云等物质到达地球的时间。这三种物质和能量形式会同时出现，先后到达地球空间，引发空间环境的扰动，影响到卫星的运行状况。“分析判断会不会影响地球磁场，以此来进行预警和预报。这样就可以规避发射的一些窗口。但如何提高预测的准确性，未来还有很长一段路要走。”
不过，此次SpaceX公司的星链脱轨卫星从约210公里往下坠毁，重新进入大气层后会燃烧殆尽，不会产生太空碎片，也不会有卫星零部件撞击地球表面。此外，这个轨道很少有其他卫星驻留，因而相碰撞的几率也比较低。
实际上，地磁暴对我们日常生活的影响并不大。地磁暴对人体并没有影响，只会对电网、卫星、航天器等造成威胁。“我们地磁场平时是比较稳定的，它在地球周围相当于一层保护膜，帮我们挡掉了很多宇宙射线的危害。”很多航天器也都依赖地磁场进行控制。
磁场孕育了地球上的生命。与阳光、空气、水一样，磁是人类生存不可或缺的生命环境要素。地球磁场延伸到地球之外，形成了一道天然的保护屏障，不仅能抵御太阳风的冲击，还阻挡了宇宙辐射的侵袭。对地球表面的各种生命活动而言，地球磁场就像一把“保护伞”，环罩在地球外面，使地面环境适合人类和其他生物生存。
在长期的演化过程中，动物具有了感磁能力以适应地磁场环境。地球上的很多动物都在地磁的指引下，进行周而复始的季节性的长距离迁徙。 “飞行中的鸽子能准确找到自己归巢的路；帝王蝶靠历经5代的不断努力，从加拿大迁移至墨西哥；怀孕的海龟毫不费力找到几十年前出生的海滩来产卵，这全都归功于动物们对地磁场的感应。”李川举例，而地磁场的扰动或多或少都会干涉到动物的迁徙过程。为此，我国的空间天气预报部门还专门开发了信鸽指数，实际上就是通过预报太阳爆发及其对地磁场的影响，来告诉人们某一天是否适合放飞信鸽。
新华日报·交汇点记者 张宣 王甜
图自视觉中国
编辑: 谢诗涵
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