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香港輕新聞特約編輯,軍武 / 科普愛好者
2022年2月攝於里約熱內盧上空,一顆因太空氣象原因無法入軌的星鏈衛星重返大氣層。由2024至2026年,類似的墜落畫面可能愈來愈多。(圖片來自Space Explored)
2023年對太空氣象研究是一個「風暴之年」,皆因經過上一次太陽周期「異常寧靜」後,太陽活動明顯變得再次活躍,而且今年以來已至少有四至五次大型的日冕物質拋射擊中地球,其雖然最多只對通訊有短暫影響,但對於低軌道人造衛星已開始出現明顯影響。
WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer /廣域紅外線巡天探測衛星)是一顆很特別的小型太空探測器,它是利用紅外線進行長時間不間斷巡天探測,利用其40厘米紅外望遠鏡平均每11秒拍攝一張,在最初10個月任務內連續拍攝全天150萬張紅外影像照片。不過由於只有不足400公斤,無法佈置大型的隔熱 / 冷卻結構,故其用相當暴力的方法:其紅外感應探測器以液氫冷卻,結果初期任務在十個月後就因液氫揮發殆盡而終止,之後美國太空總署在讓其「冬眠」兩年多,並在2013年8月將望遠鏡轉向至深空,從而重新降低其溫度(但沒法達到之前使用液氫強制冷卻的溫度),並利用餘下兩部不需使用液冷的探測器,繼續搜索太陽系內的小行星和彗星。多年來已發現超過300個近地小行星和彗星。
WISE / NEOWISE的CG圖片及其結構、載荷儀器解說。需要留意的是,它似乎沒有燃料和引擎,用於冷卻的液氫揮發時也無法產生推力,而且液氫在最初十個月的任務中就已用完,其能保持原有軌道多年,更多是其在較高的太陽同步軌道上,且第24太陽周期相對平靜太多。(圖片來自維基百科及連結2)
不過根據早前Space.com報道,由今年開始,其軌道高度正在不斷地下降,由原本的490公里高軌道逐步下降至上月底的不足420公里的高度,並正以每月3.5公里的高度下降,至於將來肯定是高度愈低,下降速度愈快。科學家甚至估計到2025年它將重返大氣層並墜毀。事實上,它應該是太陽系第25周期時首個證實受到太陽風暴嚴重影響的天文衛星。
根據NOAA的紀錄,本年4月24日太陽風暴引發的地磁風暴持續時間達18小時,當中9 小時的強度更達G4級別(G5最強)。NOAA當時已預計北美洲北部會有大範圍極光,但實際出現時範圍比預期更往南伸延500-1000公里左右。(圖片及資料來自連結)
雖然NEOWISE原軌道接近500公里,算比較高,然而由2021年開始,太陽的活躍程度開始上升之餘,其升幅及活躍性已漸回復前幾次的規模,甚至似乎更加活躍,今年已發生多次大規模閃焰,尤其4月那次,甚至連低至40度緯度的新疆及南澳洲都能看到強烈極光,而所有激烈太陽活動都可能刺擊地球磁場、泛亞倫輻射帶及大氣層頂層活躍度,其影響是廣泛的,例如更多防護較低的衛星更易受強烈輻射衝擊,但最直接的影響,可能已讓大氣層頂層的空氣粒子進一步提高高度,低軌道上可能有更多大氣粒子,造成更大的阻力,令衛星在近地點時進一步減速,後果自然是無法維持軌道高度並墜回地球大氣層了。
第25太陽周期到現時實際出現的太陽黑子數目遠比估計值要高,這亦表示太陽活動更為激烈,能引發次數更多及更猛烈的太陽風暴及磁暴,就算地面一切如常,地球軌道上的人造物體仍不免受相當影響。需要留意的是,地球軌道上衛星開始大量出現的時代,大約只相當於四個太陽周期,且其中三個相對平靜,但如果第25周期比之前四期都猛烈的話,那..........(圖片來自維基百科)
相對於其他中、大型低軌道衛星擁有較大推力的變軌引擎,軌道上增加大氣粒子的影響未必太大,但星鏈衛星改變引擎主要是用霍爾電推完成,而且因其壽命預期只有五年,事實上大部分燃料已經用在入軌上,加上推力本來就相當微弱,一旦遇上軌道上大氣粒子增加,要加大推力重返軌道基本是沒可能的。
比較著名的低軌道衛星 / 衛星群,如星鏈 / 星鏈2(右)或吉林一號(左)小型偵照衛星群,它們的軌道都在500-650公里之間,但若第25次太陽周期激烈程度和1980及2000年代相約,那也會受到地球大氣頂層膨漲所影響。至於那些微衛星 / 立方星之類,面對這情況,撥出去的投資隨時變成……(圖片來自SpaceX, 連結2和連結3)
需要留意的是,今次太陽周期在2024至5年達到最高峰,屆時大規模太陽風暴衝擊地球的次數和強型度都會大幅上升,可能會有更多的衛星被"掃離"軌道,由於現時很多太空服務是建立在上一個「平靜太陽年」的各類中小型衛星甚至衛星網絡上,一旦出現大量衛星軌道衰退及重返大氣層,相關服務可能受很大影響……再講,大量衛星墜落有沒有可能增加大型低軌道衛星甚至兩個太空站被撞擊的機會?恐怕是言之尚早,但在危機出現前,有關方面必須想出足夠的應對方法。
由歐洲太空總署繪製的1mm以上在軌太空垃圾分佈圖。若果本太陽周期的太陽風暴比過去三周期都要多要強,那有可能導致低軌道碎片大增,就算衛星有足夠動力保持軌道,仍可能被其他下墜小衛星或撞擊拋出的碎片擊中,對低軌道利用可能構成重大妨害。Rights: European Space Agency, CC BY-ND 4.0
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