在地球的上空,分布着数不胜数的人造卫星以及其他航天器,它们在太空探测、对地观测以及通讯、导航等方面发挥着重要作用。这些人造卫星及航天器,其轨道高度基本上都处在150公里(低轨卫星)到3.58万公里(地球同步卫星)。轨道高度越低的这些人造物体,受到地球大气层的阻力作用就会越明显,如果没有能量补充渠道或者不能够及时进行轨道维持,那么这些人造物体就会最终坠落大气层,然后焚烧殆尽。

人造卫星绕地球而不落下是因为(近期一些人造卫星)(1)

很多人造卫星出现了高度快速下降的问题

因此,为了确保人造卫星以及航天器有效发挥作用,尽可能地延长使用寿命,在一定的轨道高度下,这些卫星可以通过太阳能电池板提供的能量,同时在地面探测中心的操控下,可以及时将下降的高度给弥补回来。不过,从去年开始,欧洲航天局在运行Swarm星座的组网卫星时,发现了一个令人震惊的事实,那就是很多卫星以异常快的速度向大气下坠,坠落的速度比以往要快差不多10倍。

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在这种下坠速度下,依靠原有的轨道维持系统,很难将卫星重新调整到原有的轨道上来,所造成的后果,无疑是这些卫星的使用寿命大为减少。根据欧航局的监测数据,Swarm卫星的最低轨道高度约为450公里,在过去5年的时间里,受到地球高空大气层微弱阻力的影响,它们每年平均下降的高度约为2.5公里,根据星座卫星运营方案,在15年内这些卫星将全部更换一遍,那么就意味着总共下降的高度在50公里以内,15年也属于人造卫星普遍的运行“寿命”,因此不需要额外的轨道维持策略。

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但是,从去年12月份到今年5月份的监测数据可以看出,这些卫星的下坠速度,换算成每年的数据,突然激增到20多公里,几乎达到了之前的10倍。与此同时,包括国际空间站、其他很多轨道高度在500公里以内的近地人造卫星,都发现了此类情况。当这些情况被监测到以后,刚开始时让科学家们感到困惑不已,似乎受到了某种非人力可以探测的力量所控制。

出现这种问题的原因

今年2月份,美国SpaceX公司新发射的40多颗星链卫星,由于受到强烈的地磁暴影响而纷纷坠落地球大气层所损毁,这个事件的发生,一下子让人们“茅塞顿开”,原来是地磁暴惹的祸,而地磁暴的产生,直接来源就是太阳活动强度的增强。

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当太阳活动增强时,从太阳喷出的太阳风中所包含的带电粒子数量和密度会大大增加。虽然到目前为止,地球大气层的上层与太阳风的相互作用过程中,有很多复杂的物理机制科学家们仍然没有完全破解,但是可以肯定的是,这种相互作用过程,会导致地球大气层的整体上移,即密度更大的空气会上移到更高的高度,从而使高层大气的密度明显增大,造成人造卫星特别是低轨卫星运行时受到的阻力增大。

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阻力增大,意味着人造卫星的运行线速度会变低,而按照天体万有引力相关原理,当围绕一个天体作圆周运动的物体,其运行速度变低时,要想继续维持稳定的圆周运动,那么其轨道高度必然要降低,从而形成一种“恶性循环”,直到这种稳定的“动态关系”被打破,最终向地面“无限坠落”。

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从多年的天文监测数据来看,太阳活动强弱的一个明显标志就是表面太阳黑子数量的多少,而且呈现每11年一个周期的规律。上一个周期于 2019 年 12 月正式结束,那时候每月的太阳黑子数量低于平均水平,并且在较长的时间内,太阳表面几乎观测不到任何活动。而从去年秋季以来,太阳开始“苏醒”了,喷发出越来越多的太阳风,而且以越来越快的速度产生太阳黑子、耀斑以及日冕物质抛射。

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从目前监测的情况看,太阳表面的太阳黑子数量,仍然呈数量不断增长、规模不断扩大的趋势,其中有一些太阳黑子的直径可以达到数万公里,黑子的活跃强度达到了M级。通过预测,科学家们判断,此次太阳进入活跃季所能达到的最高强度,总体上看属于中等偏上的水平,几乎不会出现历史上“卡林顿”事件那么强烈的影响,不过,偶尔比较强烈的地磁暴,仍然会对人造卫星的通讯和运行等产生一些较大的影响。比如,这次的低轨卫星“集体”快速下降,就是地球的高层大气受到太阳活动的影响所致。

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有没有应对之策?

经科学家们判断,在如此强烈的太阳风暴影响下,几乎所有500公里以内的人造卫星和航天器,都不可避免地出现轨道高度下降的问题,特别是在250公里高度左右的人造卫星,所受到的冲击最大。

当然,对于轨道高度在400公里左右的航天器,比如国际空间站和我国的天宫空间站,也会受到影响,不过这两个空间站拥有先进的动力系统和姿态调整系统,可以通过及时启动相应发动机装置来修正运行轨道,因此总体上看问题不大。

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但是,对于大多数的人造卫星来说,并不具备动力推进系统,因此在受到强烈太阳风暴的影响下,轨道降低的这个后果并没有好的办法来解决,只能眼睁睁地看着它们不断向地球大气层坠落,甚至很多卫星,在太阳还没有重新进入到活动的最小期之前,就已经坠入大气层而焚毁了。

有无积极影响?

虽然这种严酷的太阳活动,对人造卫星的运行来说是个坏消息,很多卫星的使用寿命会缩减,即使是一些带有推进装置的卫星,也会因频繁地提升高度而更快地消耗完燃料,但是总体来看,这种情况对于近地轨道的空间净化还是起到一定的积极作用的。

近几十年来,随着人造航天器发射的不断加快,特别是以SpaceX为代表的商业运营公司,大批量、高数量地密集发射人造卫星,使得近地轨道上的空间资源越来越紧张,同时也使得地球上空的废旧卫星、废弃火箭残骸、碰撞碎片等充斥在地球上空,形成了越来越密集的“太空垃圾”,这些“垃圾”不但威胁着在用卫星和航天器的安全,同时也严重干扰地面望远镜进行太空观测以及一些新的发射活动。

人造卫星绕地球而不落下是因为(近期一些人造卫星)(10)

而太阳活动的增强,从另外一个角度考虑,这些太空“垃圾”自然也会受到影响,从而大大降低它们在近地轨道上的飞行时间,从而在更短的时间内坠入地球大气层而焚烧完毕,相当于给近地轨道进行了一次高效的“清洁服务”。

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