美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)官方網(wǎng)站近日發(fā)布消息稱，由于遭遇地磁暴，該公司 2 月 3 日發(fā)射的 49 顆星鏈衛(wèi)星中，有多達(dá) 40 顆衛(wèi)星于次日已經(jīng)或?qū)⒁獕嬋氪髿鈱訐p毀。這讓“地磁暴”這一略顯神秘的概念重新進(jìn)入公眾視野。

什么是地磁暴?為什么這批星鏈衛(wèi)星未能抵抗得住?這么龐大且花費(fèi)巨大的工程，為什么沒有預(yù)先考慮到地磁暴現(xiàn)象的影響?《科技周刊》記者采訪了江蘇省天文學(xué)會科技傳播專家、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授、“羲和號”衛(wèi)星科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師李川。

太陽進(jìn)入活躍期，

引發(fā)地磁場等環(huán)境突變

地球表面不僅被大氣層包圍，同時還存在一把看不見、摸不著的天然保護(hù)傘——地球磁場。“地磁場是指產(chǎn)生于地球的內(nèi)部，并延伸到地外空間的磁場。”李川解釋，地磁場是地核內(nèi)液態(tài)鐵通過“磁流體發(fā)電機(jī)”形成的，它不光分布于地表附近，還分布在地球周圍的空間之中，而地磁暴就是地球附近空間磁場的強(qiáng)烈擾動。

事實上，地磁暴現(xiàn)象是一個相對常見的自然現(xiàn)象，這一切都源自太陽活動所產(chǎn)生的太陽風(fēng)的擾動，比如日冕物質(zhì)拋射。“日冕物質(zhì)拋射到達(dá)地球，帶來地球磁場的擾動，如果擾動足夠強(qiáng)烈，就會產(chǎn)生地磁暴。”李川說，太陽活動峰年期間，地磁暴發(fā)生次數(shù)更多，級別也更高。

當(dāng)太陽表面活動旺盛，特別是在太陽黑子極大期時，太陽耀斑爆發(fā)次數(shù)也會增加，耀斑爆發(fā)時會輻射出強(qiáng)烈的X射線、紫外線，引起電離層的擾動，同時會產(chǎn)生大規(guī)模的日冕物質(zhì)拋射，引起地球磁場的強(qiáng)度和方向發(fā)生急劇不規(guī)則變化，這就是地磁暴。

19世紀(jì)30年代，在德國科學(xué)家高斯和韋伯建立地磁臺站之初，他們就發(fā)現(xiàn)地磁場經(jīng)常有微小的起伏變化，但當(dāng)時他們并沒有認(rèn)識到這是由太陽引起的。之后，1859年9月1日，英國人卡林頓在觀察太陽黑子時，首先觀測到了太陽耀斑。第二天，地磁臺站記錄到1600納特斯拉的強(qiáng)烈地磁擾動。這個偶然的發(fā)現(xiàn)和巧合，使他認(rèn)識到地磁擾動居然與太陽爆發(fā)活動有關(guān)。

“這次星鏈衛(wèi)星損毀事件期間遇到的地磁暴，屬于級別較低的地磁暴。”李川告訴記者。通常使用Dst指數(shù)(磁暴環(huán)電流指數(shù))來表征地磁擾動的強(qiáng)弱。原來在地球赤道附近，按大致均勻的經(jīng)度間隔選取幾個地磁臺站，“這幾個臺站每小時地磁水平強(qiáng)度變化的平均值即為Dst指數(shù)。”李川介紹，它的單位是納特斯拉，其范圍可由正幾十納特斯拉到負(fù)幾千納特斯拉不等，并且其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。

低級別地磁暴對于普通在軌衛(wèi)星影響不大，基本可控。“這次星鏈衛(wèi)星事件，是由1月30日前后發(fā)生的中等規(guī)模的日冕拋射物質(zhì)事件引起。”太陽風(fēng)攜帶的等離子體團(tuán)，2月3日到達(dá)地球附近后，與地球磁場相互作用，從而產(chǎn)生地磁暴。

帶來極光絢爛多彩，

也對航天器構(gòu)成威脅

對地磁暴這個概念，一般人可能比較陌生，但是地磁暴有一個非常著名的副產(chǎn)品——極光。這是在地面唯一可以用肉眼看到的由地磁暴引發(fā)的外在空間現(xiàn)象。

李川說，當(dāng)太陽風(fēng)中包含南向磁場的等離子體物質(zhì)到達(dá)地球，與地球磁場相互作用，在磁尾處產(chǎn)生能量釋放，加速帶電粒子，這些粒子到達(dá)兩極區(qū)域，與大氣層里的原子、分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電離，就會形成極光現(xiàn)象。極光雖然好看，但越絢爛的極光意味著地磁暴越強(qiáng)烈，對航天器的威脅也就越大。

據(jù)介紹，地磁暴能加熱地球高層大氣，從而引起大氣的膨脹。被加熱的空氣上升，使得近地軌道大氣密度顯著增加。在地磁暴期間，空間中電子和離子的數(shù)量和能量也會顯著增加，這會引起航天器表面充電甚至內(nèi)部充電效應(yīng)，從而危害航天器安全。“對于低軌衛(wèi)星來說，地磁暴的主要影響應(yīng)該還是大氣阻力增加導(dǎo)致的軌道衰減問題。”李川表示，大氣密度的增加，將導(dǎo)致航天器受到的大氣阻力增加，航天器速度減小，航天器軌道衰減加速，極端情況可能導(dǎo)致航天器隕落。

值得強(qiáng)調(diào)的是，地磁暴期間，保護(hù)地球的磁場結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，很多處在更高軌道的衛(wèi)星，比如同步衛(wèi)星，就會暴露于不同磁場和等離子環(huán)境，從而受到高能粒子的直接攻擊，甚至導(dǎo)致一些衛(wèi)星器件失效。

強(qiáng)大的太陽爆發(fā)事件可能導(dǎo)致強(qiáng)烈的地磁暴，并影響軌道上的衛(wèi)星或地面上的基礎(chǔ)設(shè)施，比如在20世紀(jì)就有兩個著名例子。1979年，美國的“天空實驗室”(Skylab)在軌期間處于太陽活動峰年，由于多次地磁暴的累積效應(yīng)，地球大氣層的膨脹使得“天空實驗室”受到的大氣阻力劇增，軌道加快衰減，“天空實驗室”比預(yù)期更快墜入大氣層燒毀。

1989年，一場地磁暴使得加拿大魁北克省的電網(wǎng)過載，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)大范圍的斷電事故，持續(xù)了9-12個小時。另據(jù)報道，幾乎同一時期，美國空間目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)上千個目標(biāo)需要重新定位，新發(fā)射飛行物的跟蹤辨認(rèn)困難。

事實上，我們正在經(jīng)歷一個新的、大約11年的太陽活動周期。美國國家海洋和大氣管理局與美國國家航空航天局的科學(xué)家表示，第25個太陽周期在2019年12月拉開序幕，太陽活動慢慢加劇，預(yù)計2025年7月達(dá)到峰值，然后回落，到2030年左右結(jié)束。

因此，有科學(xué)家發(fā)出警告，未來幾年隨著太陽逐漸進(jìn)入一個活躍高峰期，地磁暴發(fā)生的頻率會大大增加，屆時將會有更多的在軌衛(wèi)星受到地磁暴的影響，必須引起各國的重視。

預(yù)測地磁暴，

未來還有很長路要走

對于地磁暴現(xiàn)象，有沒有一些預(yù)報或者預(yù)警呢?“這就是所謂的空間天氣預(yù)報。其實，空間天氣預(yù)報首先要做的是對太陽活動進(jìn)行預(yù)報。”李川說，一般情況下，太陽風(fēng)暴發(fā)生時，就要預(yù)測一下太陽風(fēng)暴所產(chǎn)生的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等物質(zhì)到達(dá)地球的時間。這三種物質(zhì)和能量形式會同時出現(xiàn)，先后到達(dá)地球空間，引發(fā)空間環(huán)境的擾動，影響到衛(wèi)星的運(yùn)行狀況。“分析判斷會不會影響地球磁場，以此來進(jìn)行預(yù)警和預(yù)報，這樣就可以規(guī)避發(fā)射的一些窗口。但如何提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，未來還有很長一段路要走。”

不過，此次SpaceX公司的星鏈脫軌衛(wèi)星從約210公里往下墜毀，重新進(jìn)入大氣層后會燃燒殆盡，不會產(chǎn)生太空碎片，也不會有衛(wèi)星零部件撞擊地球表面。此外，這個軌道很少有其他衛(wèi)星駐留，因而相碰撞的幾率也比較低。

實際上，地磁暴對我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懖⒉淮蟆５卮疟θ梭w并沒有影響，只會對電網(wǎng)、衛(wèi)星、航天器等造成威脅。“我們地磁場平時是比較穩(wěn)定的，它在地球周圍相當(dāng)于一層保護(hù)膜，幫我們擋掉了很多宇宙射線的危害。”很多航天器也都依賴地磁場進(jìn)行控制。

磁場孕育了地球上的生命。與陽光、空氣、水一樣，磁是人類生存不可或缺的生命環(huán)境要素。地球磁場延伸到地球之外，形成了一道天然的保護(hù)屏障，不僅能抵御太陽風(fēng)的沖擊，還阻擋了宇宙輻射的侵襲。對地球表面的各種生命活動而言，地球磁場就像一把“保護(hù)傘”，環(huán)罩在地球外面，使地面環(huán)境適合人類和其他生物生存。

在長期的演化過程中，動物具有了感磁能力以適應(yīng)地磁場環(huán)境。地球上的很多動物都在地磁場的指引下，進(jìn)行周而復(fù)始的季節(jié)性長距離遷徙。“飛行中的鴿子能準(zhǔn)確找到自己歸巢的路;帝王蝶靠歷經(jīng)5代的不斷努力，從加拿大遷移至墨西哥;懷孕的海龜毫不費(fèi)力找到幾十年前出生的海灘來產(chǎn)卵，這全都?xì)w功于動物們對地磁場的感應(yīng)。”李川舉例，而地磁場的擾動或多或少都會干涉到動物的遷徙過程。為此，我國的空間天氣預(yù)報部門還專門開發(fā)了信鴿指數(shù)，實際上就是通過預(yù)報太陽爆發(fā)及其對地磁場的影響，來告訴人們某一天是否適合放飛信鴿。(張宣 王甜)