當?shù)貢r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，近一天時間內(nèi)大氣阻力增加了50%，導致它們無法重新提升運行軌道的高度，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)國時期，我國人民就懂得制造“司南”用來指示方向；北宋科學家沈括在《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知圖像是直到進入太空時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年實行的“雙星計劃”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)星在太空中實地測量地磁場的大小、方向、隨時間的變化情況等，再加上對太陽和太陽風的觀測，科學家們逐漸發(fā)展和構(gòu)筑了現(xiàn)代的空間物理學理論大廈，為我們描繪了地球磁層與太陽風相互作用的新圖景。

現(xiàn)在人們認為，地球磁層是由太陽風“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個地球半徑，而背向太陽的一側(cè)則延伸到200個地球半徑之外，就像彗星的尾巴一樣。當太陽風比較微弱時，磁層會膨脹；反之當太陽風較強時，磁層會受到壓縮。當太陽活動發(fā)生比較劇烈的波動，導致地球磁層相應發(fā)生劇烈變化時，就可能導致地磁暴的發(fā)生。

2 航天器為何懼怕地磁暴？

當發(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，強大的太陽風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，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)動中性風的產(chǎn)生；在太陽風攜帶的磁場與地球磁場發(fā)生重聯(lián)時，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）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，最終導致在近地軌道上運行的衛(wèi)星受到的大氣阻力明顯加強。

根據(jù)美國國家大氣海洋局空間天氣預報中心的數(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)生的太陽風粒子流于3天后（2月2日）到達地球附近。因此有理由推測，正是它們引起的地磁暴導致了2月4日衛(wèi)星的快速衰減和最終墜毀。

在世界航天史上，因為地磁暴引起大氣阻力增加、導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“天空實驗室”原計劃運行到1983年左右（設計壽命10年），但因為當時對太陽活動的監(jiān)測能力有限、沒有及時采取維持軌道高度的措施，導致僅僅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，因為太陽風暴引起大氣密度增加，國際空間站的運行軌道下降了15千米，日本“宇宙學和天體物理先進衛(wèi)星”也出現(xiàn)軌道下降和定位故障，2個月后衛(wèi)星丟失。

另外根據(jù)我國氣象局報道，2003年發(fā)生的“萬圣節(jié)太陽風暴”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)鍵設施（特別是電線等長距離導體）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)分鐘到幾個小時的感應電勢，強度達到每千米若干伏特到十幾伏特。在高壓輸電網(wǎng)絡中，這種感應電勢會導致接地的變壓器之間的輸電回路中產(chǎn)生“地磁感應電流”，導致變壓器壽命縮短、損壞乃至燒毀。更加嚴重的是，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)百臺變壓器同時發(fā)生“半波飽和”，導致跳閘等錯誤，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小時后，地磁暴誘導產(chǎn)生的感應電流導致電報系統(tǒng)失靈，有報道稱當時的電報機和塔架出現(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，導致萬億美元級別的經(jīng)濟損失。

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

4 如何防范地磁暴？

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

2015年10月，美國政府發(fā)布了《國家空間天氣戰(zhàn)略和行動計劃》，將應對災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)務體系，具備監(jiān)測、預警和預報能力，應用服務效益不斷拓展”，未來還將“建設天地結(jié)合的空間天氣監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)完善業(yè)務保障體系，有效應對災害性空間天氣事件”。

從某種意義上說，防范災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)活動和太陽風觀測的時效性、準確性？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”的綜合預報能力？如何通過創(chuàng)新性的工程設計和新材料、新工藝的應用，提高衛(wèi)星（特別是“星鏈”衛(wèi)星這樣的微小衛(wèi)星）應對太陽風暴的防護能力、軌道機動能力、燃料能源的補充能力？如何在地面上開發(fā)新的裝備和措施，用于增強電網(wǎng)等關(guān)鍵基礎設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、太陽物理學和空間物理學的進步，已經(jīng)讓人類站在“大航天時代”的門口，未來隨著航天成本的不斷下降、商業(yè)航天活動的進一步繁榮，世界各國對精準、超前的空間天氣預報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，同時也讓我們收獲更多知識和經(jīng)驗，這可能就是SpaceX損失的40顆衛(wèi)星帶給我們的啟發(fā)。