太阳风暴为什么可以轻松摧毁卫星？

　　2022年2月4日，埃隆马斯克的太空探索技术公司（SpaceX）发射了49颗星链互联网项目卫星，其中大部分在几天后在大气层中烧毁。这场超过5000万美元的失败的原因是由太阳活动引起的地磁风暴。
　　当太空天气事件袭击地球并与地球相互作用时，就会发生地磁风暴。太空气象是由太阳内部的波动引起的，这些波动将电子、质子和其他粒子喷射到太空中。
　　当太空气象到达地球时，它会触发许多复杂的过程，这些过程会给轨道上的任何东西带来很多麻烦。
　　太阳偶尔会向太空喷射大量能量和粒子，这些能量和粒子可能会撞击地球。（图片来源：NASAGSFCSDO）什么导致太空坏天气？
　　太阳总是向太空释放稳定数量的带电粒子。这被称为太阳风。太阳风还携带着太阳磁场。有时，太阳的局部波动会向特定方向抛出异常强烈的粒子爆发。如果地球恰好位于由这些事件之一产生的增强太阳风的路径中并受到撞击，那么就会产生地磁风暴。
　　地磁暴的两个最常见原因是日冕物质抛射（由太阳表面等离子体的爆炸造成）和通过日冕洞逸出的太阳风。日冕洞是太阳外层大气中密度较低的地方。
　　喷射出的等离子体（即太阳风）到达地球的速度是一个重要因素速度越快，地磁风暴就越强。通常，太阳风以大约140万公里小时的速度传播。但是强烈的太阳事件可以释放高达五倍的风速。
　　有记录以来最强的地磁风暴是由1859年9月的日冕物质抛射引起的。当大量粒子撞击地球时，它们在电报线路中引起了电涌，吓坏了当时的电报员，并且在某些极端情况下，还造成了电报仪器起火。轨道上的危险有哪些？
　　来自太阳的排放物，包括太阳风，对于任何不幸直接暴露于它们的生命形式来说都是极其危险的。幸运的是，地球磁场在保护人类方面做了很多工作。
　　地球磁场充当吸收大部分太阳风的屏障。（图片来源：NASA）
　　太阳风接近地球时首先撞击的是磁层。地球大气层周围的这个区域充满了由电子和离子组成的等离子体。它由行星的强磁场主导。当太阳风撞击磁层时，它会将质量、能量和动量转移到这一层。
　　磁层可以从日常的太阳风中吸收大部分能量。但是在强风暴期间，磁层可能会过载并将多余的能量转移到两极附近的地球大气层上层。这种将能量重新定向到两极的过程会导致奇妙的极光事件，但它也会导致高层大气的变化，从而损害太空里的人造卫星。
　　地磁风暴以几种不同的方式威胁着每天为地面上的人们服务的轨道卫星。
　　当大气从磁暴中吸收能量时，它会升温并向上膨胀。这种膨胀显著增加了大气热层的密度，热层即从地球表面上方约80公里到大约1000公里的大气层。更高的密度意味着更大的阻力，这对卫星来说可能是个问题。
　　这种情况正是导致SpaceX的星链卫星在2月份被毁的原因。星链卫星由猎鹰9号火箭送入低空轨道，该轨道通常位于地球表面上方100到200公里之间。然后，卫星使用机载发动机慢慢克服阻力并将自身提升到大约550公里的最终高度。
　　2月初发射的这批星链卫星在仍处于极低地球轨道时就遇到了地磁风暴。他们的引擎无法克服显著增加的阻力，卫星开始缓慢地向地球坠落，最终在大气层中焚毁。
　　阻力只是太空天气对人造卫星造成的危害之一。在强地磁风暴期间，磁层内高能电子的显著增加意味着更多的电子将穿透航天器的屏蔽层并在其电子设备中积累。这种电子积聚可以在基本上是类似小雷击的情况下放电并损坏电子设备。
　　此外，磁层中的穿透辐射或带电粒子即使在温和的地磁风暴期间也可以改变电子设备的输出信号。这种现象可能会导致航天器电子系统的任何部分出现错误，如果错误发生在关键的地方，整个卫星可能会发生故障。
　　最后，地磁风暴会破坏卫星使用无线电波与地球通信的能力。许多通信技术，例如GPS，都依赖于无线电波。大气总是在一定程度上扭曲无线电波，因此工程师在构建通信系统时会纠正这种扭曲。但是在地磁风暴期间，电离层的变化将改变无线电波穿过它的方式。也就是说，在地磁暴期间，为安静大气进行的校准反而会出错。
　　例如，这使得锁定GPS信号变得困难，并且可能会使定位偏离几米。对于许多行业航空、海事、机器人、交通、农业、军事和其他行业几米的GPS定位误差会产生很大问题。自动驾驶系统也需要精确定位。如何抵御太空坏天气？
　　卫星对于现代世界的大部分功能至关重要，保护太空资产免受太空天气事件的影响是一个重要的研究领域。
　　通过屏蔽电子设备免受辐射或开发更耐辐射的材料，可以将某些风险降至最低。但面对强大的地磁风暴，能做的屏蔽也可能相形见绌了。
　　另一方面，如果能更准确地预测风暴，就可以通过关闭敏感电子设备或重新定位卫星，来更好地保护人造卫星和其他航天器。但是，虽然过去几年地磁风暴的建模和预测有了显著改善，但预测往往是错误的。
　　太阳就像一个经常发脾气的孩子，它不断变化的性格使事情变得具有挑战性。