當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月4日，一場地磁暴讓美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)失去了40顆剛剛發(fā)射成功的“星鏈”衛(wèi)星。根據(jù)SpaceX官方網(wǎng)站發(fā)布的消息，這些衛(wèi)星在地磁暴的影響下，近一天時(shí)間內(nèi)大氣阻力增加了50%，導(dǎo)致它們無法重新提升運(yùn)行軌道的高度，最終掉回大氣層內(nèi)銷毀。

地磁暴到底是什么?它可能帶來哪些危害?歷史上還曾經(jīng)發(fā)生過哪些因地磁暴引起的事故和災(zāi)害?這里我們就來為讀者作些介紹。

1 什么是地磁暴?

地磁暴是地球磁層發(fā)生的一種劇烈擾動。

眾所周知，地球本身擁有內(nèi)稟磁場，而且磁場的南北極跟地理上的南北極相反。早在戰(zhàn)國時(shí)期，我國人民就懂得制造“司南”用來指示方向;北宋科學(xué)家沈括在《夢溪筆談》中甚至提到了指南針“能指南，然常微偏東”，表明我國古代已經(jīng)觀察到“地磁偏角”存在的現(xiàn)象。

然而，人類對地球磁層比較完整和宏觀的認(rèn)知圖像是直到進(jìn)入太空時(shí)代之后才建立起來的。在衛(wèi)星出現(xiàn)以前，人們通過建立大量的地磁觀測臺站，并且借助搭載磁力儀的航海和航空平臺，已經(jīng)開展了全球性的地磁場測量活動。1958年，蘇聯(lián)發(fā)射了首顆用于測量地磁場的衛(wèi)星“斯普特尼克3號”，隨后世界各國發(fā)射了許多用于測量地球磁場的衛(wèi)星，比較著名的有美國1979年發(fā)射的“磁衛(wèi)星”、歐洲空間局2013年發(fā)射的“蜂群”衛(wèi)星星座等。我國2003年至2004年實(shí)行的“雙星計(jì)劃”也在地球磁場觀測方面取得了卓有成效的結(jié)果。

通過利用衛(wèi)星在太空中實(shí)地測量地磁場的大小、方向、隨時(shí)間的變化情況等，再加上對太陽和太陽風(fēng)的觀測，科學(xué)家們逐漸發(fā)展和構(gòu)筑了現(xiàn)代的空間物理學(xué)理論大廈，為我們描繪了地球磁層與太陽風(fēng)相互作用的新圖景。

現(xiàn)在人們認(rèn)為，地球磁層是由太陽風(fēng)“擠壓”地球磁場而形成的。在面向太陽的一側(cè)，地球磁層的邊界只有約10個(gè)地球半徑，而背向太陽的一側(cè)則延伸到200個(gè)地球半徑之外，就像彗星的尾巴一樣。當(dāng)太陽風(fēng)比較微弱時(shí)，磁層會膨脹;反之當(dāng)太陽風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，磁層會受到壓縮。當(dāng)太陽活動發(fā)生比較劇烈的波動，導(dǎo)致地球磁層相應(yīng)發(fā)生劇烈變化時(shí)，就可能導(dǎo)致地磁暴的發(fā)生。

2 航天器為何懼怕地磁暴?

當(dāng)發(fā)生太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等劇烈的太陽爆發(fā)事件時(shí)，強(qiáng)大的太陽風(fēng)沖擊和壓縮地球磁層，大量帶電粒子沿磁力線沉降、轟擊高層大氣，產(chǎn)生極光并使極光帶膨脹。同時(shí)，帶電粒子的沖擊引起地球電離層中等離子體的對流，通過碰撞驅(qū)動中性風(fēng)的產(chǎn)生;在太陽風(fēng)攜帶的磁場與地球磁場發(fā)生重聯(lián)時(shí)，大量能量和帶電粒子快速注入地球磁尾空間，對地球周圍環(huán)電流的強(qiáng)度產(chǎn)生劇烈擾動，而快速變化的電場又與磁場相伴相生，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的地磁場發(fā)生劇烈擾動，從而形成地磁暴。

在地磁暴期間，受到高能粒子沉降和焦耳加熱(電流通過電阻產(chǎn)生熱效應(yīng))的作用，地球大氣層可能受熱膨脹，引起高層大氣的密度增加，最終導(dǎo)致在近地軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星受到的大氣阻力明顯加強(qiáng)。

根據(jù)美國國家大氣海洋局空間天氣預(yù)報(bào)中心的數(shù)據(jù)，就在SpaceX的40顆“星鏈”衛(wèi)星墜毀前幾天(1月30日)剛好發(fā)生了一次太陽爆發(fā)活動，產(chǎn)生的太陽風(fēng)粒子流于3天后(2月2日)到達(dá)地球附近。因此有理由推測，正是它們引起的地磁暴導(dǎo)致了2月4日衛(wèi)星的快速衰減和最終墜毀。

在世界航天史上，因?yàn)榈卮疟┮鸫髿庾枇υ黾印?dǎo)致航天器軌道下降的案例不勝枚舉。例如，1973年美國發(fā)射的空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”原計(jì)劃運(yùn)行到1983年左右(設(shè)計(jì)壽命10年)，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)對太陽活動的監(jiān)測能力有限、沒有及時(shí)采取維持軌道高度的措施，導(dǎo)致僅僅6年后該空間站就因大氣阻力增加而提前隕落。

再如，2000年7月的“巴士底日事件”中，因?yàn)樘栵L(fēng)暴引起大氣密度增加，國際空間站的運(yùn)行軌道下降了15千米，日本“宇宙學(xué)和天體物理先進(jìn)衛(wèi)星”也出現(xiàn)軌道下降和定位故障，2個(gè)月后衛(wèi)星丟失。

另外根據(jù)我國氣象局報(bào)道，2003年發(fā)生的“萬圣節(jié)太陽風(fēng)暴”不僅使歐美日的多顆衛(wèi)星發(fā)生不同程度損壞，還使我國的“神舟五號”飛船留軌艙運(yùn)行高度明顯降低，不得不采取措施提升飛船軌道以避免提前墜毀。

3 地磁暴還有哪些危害?

地磁暴不僅會對天上的航天器造成影響，還能對地上的許多關(guān)鍵設(shè)施(特別是電線等長距離導(dǎo)體)造成危害。

在變化的地磁場作用下，具有較高電阻率的地面土壤中可以產(chǎn)生持續(xù)數(shù)分鐘到幾個(gè)小時(shí)的感應(yīng)電勢，強(qiáng)度達(dá)到每千米若干伏特到十幾伏特。在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，這種感應(yīng)電勢會導(dǎo)致接地的變壓器之間的輸電回路中產(chǎn)生“地磁感應(yīng)電流”，導(dǎo)致變壓器壽命縮短、損壞乃至燒毀。更加嚴(yán)重的是，由于地磁暴是全球性的，因此可能在很大區(qū)域的電網(wǎng)中會有數(shù)百臺變壓器同時(shí)發(fā)生“半波飽和”，導(dǎo)致跳閘等錯(cuò)誤，引起系統(tǒng)崩潰、發(fā)生大面積停電。歷史上，這種事故發(fā)生過很多次，最為著名的屬卡林頓事件和魁北克停電事件。

1859年9月1日，英國天文學(xué)家卡林頓觀測到太陽表面北部的黑子群突然發(fā)出白色亮光(產(chǎn)生太陽爆發(fā))。幾分鐘后，英國格林尼治天文臺探測到地球磁場發(fā)生劇烈變化。約18小時(shí)后，地磁暴誘導(dǎo)產(chǎn)生的感應(yīng)電流導(dǎo)致電報(bào)系統(tǒng)失靈，有報(bào)道稱當(dāng)時(shí)的電報(bào)機(jī)和塔架出現(xiàn)了火花，甚至有電線被熔化，夜空中產(chǎn)生了前所未有的極光，甚至赤道附近的夏威夷地區(qū)也能觀測到。據(jù)英國勞合社大氣和環(huán)境研究公司2013年5月發(fā)布的一份報(bào)告稱，舉例來說，如果卡林頓事件發(fā)生在今天的美國，可能使2000萬至4000萬人面臨十幾天到一兩年的停電，導(dǎo)致萬億美元級別的經(jīng)濟(jì)損失。

1989年3月13日，加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)因之前一次太陽風(fēng)暴的影響，發(fā)生大范圍斷電事故，受直接影響的居民達(dá)到600萬人，停電時(shí)長達(dá)到9個(gè)小時(shí)，造成了高達(dá)數(shù)千萬美元的經(jīng)濟(jì)損失。

4 如何防范地磁暴?

如今，世界各航天大國和強(qiáng)國都十分關(guān)注對太陽風(fēng)暴和地磁暴等災(zāi)害性事件的觀測與研究，催生了“空間天氣學(xué)”和“空間天氣預(yù)報(bào)”業(yè)務(wù)。

2015年10月，美國政府發(fā)布了《國家空間天氣戰(zhàn)略和行動計(jì)劃》，將應(yīng)對災(zāi)害性空間天氣提升到國家戰(zhàn)略高度。在我國2022年1月28日發(fā)布的《2021中國的航天》白皮書中，也提到我國“初步建成空間天氣保障業(yè)務(wù)體系，具備監(jiān)測、預(yù)警和預(yù)報(bào)能力，應(yīng)用服務(wù)效益不斷拓展”，未來還將“建設(shè)天地結(jié)合的空間天氣監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)完善業(yè)務(wù)保障體系，有效應(yīng)對災(zāi)害性空間天氣事件”。

從某種意義上說，防范災(zāi)害性空間天氣的國家需求，也為我國科技工作者提供了大有可為的廣闊空間。例如，如何實(shí)現(xiàn)更好的太陽立體觀測，從而提高對太陽爆發(fā)活動和太陽風(fēng)觀測的時(shí)效性、準(zhǔn)確性?如何將太陽觀測數(shù)據(jù)同地球空間環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)、地球大氣探測的數(shù)據(jù)相結(jié)合，打造“太陽活動-空間天氣-地球天氣”的綜合預(yù)報(bào)能力?如何通過創(chuàng)新性的工程設(shè)計(jì)和新材料、新工藝的應(yīng)用，提高衛(wèi)星(特別是“星鏈”衛(wèi)星這樣的微小衛(wèi)星)應(yīng)對太陽風(fēng)暴的防護(hù)能力、軌道機(jī)動能力、燃料能源的補(bǔ)充能力?如何在地面上開發(fā)新的裝備和措施，用于增強(qiáng)電網(wǎng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施在地磁暴期間的穩(wěn)定性、安全性?等等。

航天技術(shù)的發(fā)展、太陽物理學(xué)和空間物理學(xué)的進(jìn)步，已經(jīng)讓人類站在“大航天時(shí)代”的門口，未來隨著航天成本的不斷下降、商業(yè)航天活動的進(jìn)一步繁榮，世界各國對精準(zhǔn)、超前的空間天氣預(yù)報(bào)的需求一定還將不斷增加。創(chuàng)新和探索的路上一定會出現(xiàn)各種挫折和損失，同時(shí)也讓我們收獲更多知識和經(jīng)驗(yàn)，這可能就是SpaceX損失的40顆衛(wèi)星帶給我們的啟發(fā)。