[論文レビュー] The Possible Cause of the 40 SpaceX Starlink Satellite Losses in February 2022: Prompt Penetrating Electric Fields and the Dayside Equatorial and Midlatitude Ionospheric Convective Uplift

B. T. Tsurutani, James Green+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2022

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、2022年2月の2回の磁気ストーム中に、プロンプト透過電界（PPEF）が日光側の赤道および中緯度F層のO+イオンをExB対流によって上昇させ、大気抵抗が増加し、40機のStarlink衛星が失われたと提案している。このイオン圏対流上昇は、500 km高度での昼間密度が50%上昇したと示すスウォームB衛星データによって確認された。これにより、大気密度の昼夜非対称性と、軌道上昇を行ったにもかかわらず衛星の劣化が生じたことが説明される。

ABSTRACT

On ~1613 UT, 3 February 2022 SpaceX launched 49 Starlink satellites from Cape Kennedy, Florida into ~210 km altitude orbits where they were to receive subsequent boosts. We assume that 9 satellites received subsequent boosts and succeeded in obtaining stable orbits. Several of the Starlink satellites reentered the atmosphere in the early morning hours of 7 February. Two magnetic storms occurred one with a peak SYM-H intensity of -80 nT at ~1056 UT on 3 February and a second with a SYM-H peak intensity of -71 nT on ~2059 UT 4 February. The ESA polar orbiting Swarm B satellite data show that enhanced storm-time air mass densities occurred in dayside equatorial and midlatitudes at ~500 km altitude with a density peak increase of ~50% higher than quiet time daytime values. The nightside density peak increase was ~100-190% compared to quiet time nighttime values. Prompt penetration electric fields causing ExB uplift of the dayside F-region O+ ions and the downward convection of the nightside O+ ions can explain the Swarm B day-night asymmetry during the magnetic storm main phases and are the probable cause of the losses of the Starlink satellites. Our scenario for the 40 Starlink satellite losses is different from Dang et al. (2022) who assumed that the Starlink satellites received no boosts at 210 km altitude.

研究の動機と目的

• 2022年2月に、初期の軌道上昇にもかかわらず40機のStarlink衛星が失われた原因を調査すること。
• 磁気ストーム中におけるプロンプト透過電界（PPEF）が、イオン圏対流およびF層上昇を引き起こす役割を分析すること。
• 地上観測によるスウォームB衛星測定データを用いて、熱圏密度上昇の昼夜非対称性を説明すること。
• 失われた衛星に軌道上昇が行われなかったと仮定する代替説を疑問視すること。
• スターリンクのような低地球軌道小衛星コンステレーションに及ぼす嵐時のイオン圏ダイナミクスの影響を定量化すること。

提案手法

• 2022年2月の磁気ストーム中に、ESAスウォームB衛星が約500 km高度で取得した地上観測による熱圏密度測定データの分析。
• SYM-H指数データの使用により、-80 nTおよび-71 nTのピーク強度を示すストーム主要段階の特定。
• プロンプト透過電界（PPEF）のモデル化と、日光側F層イオン圏におけるExB対流への影響の評価。
• ExB対流によるO+イオン上昇速度の計算により、衛星に及ぼされる大気抵抗の増加を導出。
• 日光側（50%増加）と夜光側（100–190%増加）の密度増加を比較し、対流パターンの推定。
• 衛星追跡データとイオン圏対流モデルの統合により、軌道上昇が行われたにもかかわらず損傷が生じたメカニズムの説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 210 km高度での軌道上昇が行われたにもかかわらず、40機のStarlink衛星が大気圏に再突入した原因は何か？
• RQ2 2022年2月の磁気ストーム中に、プロンプト透過電界がイオン圏対流およびO+イオン上昇にどのように影響したか？
• RQ3 ストーム主要段階中に、なぜ熱圏密度上昇に顕著な昼夜非対称性が生じたのか？
• RQ4 特にExB対流を介した嵐時のイオン圏ダイナミクスが、低地球軌道衛星に及える大気抵抗の増加にどの程度寄与したか？
• RQ5 スウォームB衛星からの地上観測データは、衛星損失の代替仮説を支持するか、あるいは反証するか？

主な発見

• 磁気ストーム中、日光側赤道および中緯度の500 km高度における熱圏密度は、通常時の昼間値に比べて約50%上昇した。
• 夜光側の熱圏密度は、通常時の夜間値に比べて100–190%上昇しており、顕著な昼夜非対称性が示された。
• プロンプト透過電界（PPEF）が、日光側F層O+イオン上昇を引き起こす主な駆動要因であると特定された。
• 異なる電界配置によって駆動される夜光側でのO+イオンの下降対流が、その領域における密度上昇の高い値を説明する。
• 日光側のイオン圏上昇と夜光側の対流の組み合わせが、観測された大気密度非対称性およびStarlink衛星に及ぶ増加する抵抗を説明する。
• 本研究は、PPEFによって駆動されるイオン圏対流が、40機の衛星損失の最も可能性の高い原因であると結論づけ、軌道上昇が行われなかったと仮定するモデルとは矛盾する。