當埃隆·馬斯克雄心勃勃地在太空中部署數千顆星鏈衛星，計畫為地球上每個角落提供高速網際網路服務時，他或許沒有完全預料到一些來自太陽的小麻煩會給這個龐大的衛星網路帶來如此大的挑戰。最近，一份由美國馬里蘭大學和美國航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）戈達德太空飛行中心的聯合團隊發佈的一項研究指出，由於當前太陽活動加劇，星鏈衛星正在比預期更快地墜入地球大氣層。圖丨相關論文（來源：arXiv）研究團隊通過分析 2020 年至 2024 年間 523 顆星鏈衛星的軌道資料，發現了一個令人擔憂的趨勢：在強烈的地磁風暴期間，這些衛星重返地球大氣層的速度遠超預期。研究人員表示：“我們的結果無可爭議地表明，地磁活動越強，衛星重返的速度就越快。”圖丨2020-2024 年期間 523 次星鏈重返大氣層事件中地磁活動影響的散點圖。(A)：軌道衰減率與 Dst 的關係（顏色表示預測誤差）；(B)：預測誤差與 Dst 的關係（顏色表示軌道衰減率）；(C)：日期差與 Dst 的關係（顏色表示軌道衰減率）。預測誤差是重返大氣層時刻與預測時刻之差，而日期差是重返大氣層時刻與參考高度時刻之差（來源：arXiv）具體而言，研究發現在軌道高度低於 300 公里的衛星，在遭遇地磁風暴時，會比正常預期提前 10 天墜落燃燒。這個時間差看似不長，但對於需要精確軌道管理和任務規劃的衛星營運商來說，卻是一個不容忽視的挑戰。更令人擔憂的是，隨著地磁活動的增強，衛星重返時間的預測誤差也會顯著增加，預測誤差與地磁活動強度之間存在強烈的負相關關係，相關係數達到約 -0.87。這種理論上的風險在 2022 年 2 月變成了現實。當時，SpaceX 發射了 49 顆星鏈衛星，計畫讓它們從較低的部署軌道（約 210 公里）提升到運行軌道。然而，恰好在發射後不久，一場中等強度的地磁風暴襲擊了地球。這場風暴導致大氣密度增加了近 50%，使得新發射的衛星面臨比預期高得多的大氣阻力。由於衛星尚未完全展開太陽能電池板並啟動推進器，它們無法產生足夠的推力來對抗增強的阻力。結果，49 顆衛星中的大部分都在加勒比海上空提前墜毀，損失估計達數千萬美元。而此次 NASA 團隊的研究，則是在更長的時間尺度上，用數百個案例系統性地證實了這種風險的普遍性和嚴重性。而要理解這個現象背後的原因，我們需要瞭解兩件事：一是太陽的活動規律，二是星鏈衛星自身的特點。太陽並不是一顆永遠溫和的恆星，它有大約 11 年為一個周期的“情緒波動”，被稱為太陽活動周期。在活動高峰期，太陽表面的黑子、耀斑和日冕物質拋射會變得異常頻繁。這些活動會向太空噴射出大量高能粒子，當它們抵達地球時，便會引發地磁風暴。圖丨2017 年 4 月 3 日，NASA 太陽動力學天文台捕捉到的太陽耀斑（來源：NASA）地磁風暴除了製造美麗的極光，還會實實在在地影響地球的高層大氣。它會加熱並“吹脹”地球的熱層，導致這一區域的大氣密度增加，從而給運行在其中的衛星帶來更大的空氣阻力。研究團隊發現，當太陽活動加劇時，熱層中的焦耳加熱效應會顯著增強。這種加熱機制是由於太陽風中的帶電粒子與地球磁層相互作用，在電離層中產生強烈的電流，這些電流與熱層中的中性原子和分子發生碰撞，將動能轉化為熱能。結果是熱層變得更加稠密，並向衛星運行的高度膨脹，給衛星帶來意想不到的阻力。星鏈衛星之所以特別容易受到這種影響，與其獨特的軌道設計密切相關。為了減少訊號延遲並降低發射成本，SpaceX 將大部分星鏈衛星部署在相對較低的軌道上，通常在 550 公里左右的高度。雖然這個高度仍然處於太空中，但它恰好位於地球大氣層的邊緣區域，在這裡大氣雖然極其稀薄，但仍然存在並會對衛星產生阻力。這種設計選擇本來是有其優勢的。較低的軌道意味著更強的訊號強度、更低的延遲，以及更小的衛星覆蓋區域，從而可以實現更精確的頻譜重用。然而，它也使得這些衛星更容易受到大氣阻力變化的影響。研究資料顯示，在正常的太陽活動條件下，星鏈衛星的軌道衰減率約為每天幾公里。但在強烈的地磁風暴期間，這個數字可能會急劇上升，有些情況下達到每天 95 公里的衰減率。使這一問題更加複雜的是，我們目前正處於第 25 個太陽周期的上升階段，而這個周期表現出比前一個周期更強的活動水平。自 2020 年以來，太陽活動一直在穩步增加，預計將在 2025 年左右達到峰值。這種時間上的巧合使得星鏈衛星面臨著前所未有的挑戰。研究期間（2020-2024 年）恰好與本次太陽周期的上升階段重合，這為科學家們提供了一個獨特的機會來觀察太陽活動對大規模衛星星座的影響，但同時也讓 SpaceX 承受了意想不到的營運壓力。圖丨2000 年至 2024 年 Starlink 衛星再入年度數量分佈及月平均 F10.7 太陽射電通量指數資料（來源：arXiv）而星鏈衛星加速墜落，其影響遠不止於 SpaceX 一家公司。它反映了整個航天產業在進入“巨型星座時代”後，所必須面對的一個新常態。首先，這對 SpaceX 的營運成本和星座的長期穩定性構成了直接壓力。更大的大氣阻力意味著衛星需要更頻繁地啟動自身的推進器來對抗軌道衰減。這會消耗更多的燃料，直接縮短衛星的設計壽命。一顆原本能工作 5 到 7 年的衛星，可能因為太陽的“壞脾氣”而提前幾年報廢。這無疑會增加整個星鏈網路的維護和衛星替換成本。其次，這對整個近地空間的安全構成了威脅。目前，近地軌道已經非常擁擠，成千上萬的在軌衛星、廢棄衛星和各類空間碎片，都在以極高的速度飛行。如果大量衛星的軌道因為空間天氣而變得難以預測，那麼它們之間發生碰撞的風險就會上升。一次碰撞產生的碎片，又可能引發連鎖反應，導致更多碰撞，也就是著名的“凱斯勒綜合徵”（Kessler syndrome）。雖然這離現實尚有距離，但軌道預測精度的下降，無疑是朝著這個危險方向靠近了一些。最後，很多人會關心，這些掉下來的衛星會砸到人嗎？從設計上說，星鏈衛星在重返大氣層時會通過與空氣的劇烈摩擦而完全燃燒解體，因此地面風險極低。然而，歷史上確實發生過衛星殘骸掉落地面的事件，甚至有報導稱在加拿大發現了疑似星鏈的碎片。雖然這種機率非常小，但隨著未來軌道上衛星數量增加到數萬甚至更多，再小的機率乘以一個巨大的基數，也足以構成一個需要嚴肅管理的風險。 (DeepTech深科技)
