低轨卫星增加 太空天气预测将成为刚需

2月份发射的49颗SpaceX Starlink卫星中的38颗因轻微的地磁暴条件而烧毁。一项新的研究对导致卫星损失的空间天气条件进行了分析,并建议改进空间天气预报,以防止未来发生类似事件。

来自太阳表面的喷发很常见,在11年太阳黑子周期中最活跃的时期,平均每天发生2-3次。这些喷发中的大多数并不是针对地球的。那些指向地球的喷发可以在地球的磁场中产生扰动,即地磁暴。这些风暴产生令人敬畏的北极光,但也可能导致关键基础设施的严重破坏。

美国国家海洋和大气管理局的GOES-16卫星在2022年2月1日拍摄了一系列M级太阳耀斑。太阳上的这些爆发引起了轻微的地磁暴,摧毁了2022年2月3日发射的38颗SpaceX Starlink卫星。(NOAA)

NOAA的空间天气预报中心(SWPC)是国家官方民用空间天气预报员的所在地,发布实时警告和警报,帮助客户减轻对电网、卫星、航空公司、电信网络、导航系统(包括GPS)和管道的影响。

然而,由于商业航天业的迅速发展,SWPC的科学家们正在更多地了解客户的需求,并更密切地关注那些传统上对我们在地球和太空中的生活和基础设施影响不大的小地磁暴。2月初,SpaceX公司发射到极低地球轨道的49颗Starlink卫星中,有38颗卫星因一段长时间的轻微地磁暴状况而烧毁。

美国地球物理学会出版的《空间天气》杂志上的一项新研究,对导致星链 (Starlink) 卫星损失的空间天气条件进行了分析。这项研究证实了SpaceX的初步分析:高的卫星阻力条件降低了卫星的稳定性,使升轨过程无法进行。作为回应,卫星迅速脱离轨道,并最终在重返地球大气层时烧毁。

SWPC预报员预测了小到中度的地磁暴,并从1月30日开始发布观察、警告和警报产品,并持续到2月5日。然而,该中心目前并没有研究报告中所述的卫星拖拽或中性密度预测的警告和警报,但在卫星丢失事件后,该中心已经优先考虑了这项服务的重要性。

随着在低地球轨道上建立的商业卫星链面积逐渐扩大–每年发射超过1000颗卫星,客户对大气密度信息的需求也越大,因为这些信息能够对低轨道产生巨大影响,正如Starlink卫星烧毁事件的那样。该研究建议在太阳风暴和地磁风暴开始之前准确预测这些事件,并确定 “SWPC根据中性密度预测建立合适的警报和警告,为用户提供指导,防止因阻力造成的卫星损失,并帮助进行避免碰撞的计算,这一点至关重要”。为了给这个不断扩大的行业提供合适的空间天气预测和警告,SWPC需要新的观测和数据来改进空间天气预测模型。

该研究确定了额外的空间天气预报改进服务,以及对支持低地球轨道上的航天器行业至关重要的研究领域,包括。

更好地预测日冕物质抛射的到达时间以及地磁活动的规模和持续时间。此外,应优先确定太阳风/近地相互作用的不确定性和可变性,以提供对地球反应的概率预测。

利用大量在轨中性密度观测的计算效率高的数据同化技术,将使SWPC能够改进中性大气的现在预报,并产生更好的预报。

改进卫星行业的流程,将空间天气信息和中性密度模型更好地捕捉空间天气反应纳入卫星设计和运行。

该研究还指出,太阳和地球之间的测量不足,SWPC建模工具的局限性,以及空间物理学方面的知识差距,都导致了地磁暴时间和强度的预测错误。

“这项研究显示了政府和行业之间的合作所能带来的好处,”该研究的主要作者、NOAA空间天气预报中心的空间科学家Tzu-Wei Fang博士说。”模型和卫星数据的自由交换以及SWPC和Starlink团队之间的密切互动使我们能够确定空间天气事件对这些卫星的量化影响,这有助于我们迅速确定任务的优先次序,以改进我们的空间天气模型并设计出能更好地满足现代空间商业需求的操作产品”。

研究报告说,鉴于在接近太阳周期25的最大值时太阳和地磁活动的预期增加,Starlink团队已经实施了系统升级,以确保未来的低插入任务能够适应卫星拖动。自2019年11月以来,SpaceX已成功发射了60多次卫星,用于部署Starlink系统。与2月初观察到的情况相比,早期的发射是在空间天气条件平静时进行。

这一事件再次表明,地球目前需要一个强化的空间天气观测和预报系统,不仅要关注捕捉大规模日冕物质抛射,还要关注最近几个月更频繁发生的轻微到中等的空间天气事件。在2024-2025年的太阳高峰期之前,提高空间天气预报能力和服务是很重要的。

Comments