“大地磁暴预警”刷屏,它曾……让马斯克的卫星掉了?
24日,来自祖国气象局“大地磁暴预警”的刷屏。预警称,本次地磁暴活动从3月24日持续到3月26日,可能发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴。
每逢遇到地磁暴预警,新闻(News)中总会提及“全球定位系统GPS可能失灵”。但大家拿出电话,貌似定位并没有什么变化,各家地图的导航也一如既往地把你带向各种奇奇怪怪的小路。尽管还是会迷路,但导航卫星失灵可不背这个锅。
2010年5月一次地磁暴中NASA拍摄的极光照片丨NASA
是预报夸大其词了吗?倒也未必,历史(History)上最有名的一次地磁暴是1859年的卡林顿事件,那一场太阳风暴导致欧洲和北美的电报系统失灵,甚至让操作电报机的工作人员遭到了电击。
如果这场电磁暴发生在今天(Today),极度依赖电力的现代社会(Society)可能会陷入持续好几天的瘫痪与混乱——很显然它并没有发生,证据就是你还在刷着电话阅读这篇文章。
为什么地磁暴可能影响导航卫星地磁暴可以用一种简单粗暴的方式来威胁卫星:加厚大气层。它的原理和我们(We)烧开水差不多,强烈的地磁暴会加热高处的大气层,它们(They)会像弹开的棉花一样向上膨胀。卫星不能在大气中飞行,否则只会变成一颗流星。
2022年2月3日,SpaceX发射了49颗星链卫星,但第二天恰逢地磁暴,其中整整40颗都变成了烟花。
艺术家笔下描绘的太阳风粒子影响地球的磁层丨NASA
但面对导航卫星,无论GPS还是北斗卫星,地磁暴和大气层表示心有余而力不足:手太短,够不到。
以北斗卫星为例,它们(They)距离地面的高度至少有2万千米,差不多相当于从漠河到三亚往返两次。相比之下,世界空间站以及遥感卫星的高度就只有400公里,它们(They)才会被地磁暴威胁到瑟瑟发抖,必须在地磁暴发生前赶紧爬升高度。
全球定位系统正庆幸自己幸免于难,被大气层笑着拍拍肩膀,一手指向地面:虽然我干扰不了你,但我可以骚扰你的客户啊!
地磁暴会干扰地面上的卫星信号接收系统,包括你的电话。
导航卫星系统本质上是多个卫星组成的大喇叭,每颗卫星随时都在输出两条非常简单的内容:卫星转到哪里了,现在几点了。导航卫星的原理也不复杂,电磁波信号以光速前进,只要知道了发送信号和接收信号的时间差,就能知道自己和这颗卫星之间的距离。如果头顶有4颗卫星,我们(We)就可以解算出自己的精确位置。
但是导航卫星在太空中移动的速度非常快,快到了钟慢效应已经无法被忽视的地步。我们(We)可以仅凭牛顿三定律就把人类送上月球,但如果没有相对论,全球定位系统就永远也无法正常运作。这也导致了发出和接收信号时间差的计算必须非常精准,如果时间差出了亿分之一秒,实际的距离就会偏离3米远。
大气层掏出自己的电离层,地磁暴将它一阵蹂躏,一时间电离层变得皱皱巴巴,薄厚不均,它们(They)对着导航卫星微微一笑:来,继续发信号啊。
地磁暴对电离层的扰动有两种级别。第一种情况下手比较温柔,卫星信号会遭到延迟可能减弱,但如果使用多频接收机就可以抵消它的影响。第二种属于狂暴模式,电离层像是被打湿后又没晒干的棉被,有的地方又薄又轻,有的地方又厚又重,这种完全无规律的扰动会让信号束手无策,甚至完全丢失。
但好在这种级别的地磁暴尚属几百年一遇,如果想要未雨绸缪,也许可以锻炼一下阅读纸质地图的能力。
参考文献[1]Zakharov V I, Yasyukevich Y V, Titova M A. Effect of magnetic storms and substorms on GPS slips at high latitudes[J]. Cosmic research, 2016, 54: 20-30.
[2]Zhang S, He L, Wu L. Statistical study of loss of GPS signals caused by severe and great geomagnetic storms[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2020, 125(9): e2019JA027749.
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