[논문 리뷰] 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 Green외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 14.

Ionosphere and magnetosphere dynamics인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 2022년 2월의 두 차례의 자기 스톰 동안 프롬프트 투과 전기장(PPEFs)이 일어난 것으로 보고, 이로 인해 일광면의 적도 및 중위도 F층에서 O+ 이온이 ExB 대류에 의해 상향 이동하면서 대기 저항이 증가하고, 그로 인해 40架의 Starlink 위성이 손실되었다. 이 이온층 대류 상향 이동 현상은 스웨어 B 위성 데이터를 통해 확인되었으며, 500km 고도에서 낮시간 밀도가 50% 높게 측정되었다. 이는 낮과 밤의 대기 밀도 비대칭성과 궤도 상승 조치가 있었음에도 불구하고 위성의 열화를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 궤도 상승 조치가 성공했음에도 불구하고 2022년 2월에 발생한 40대의 Starlink 위성 손실 원인을 규명하는 것.
• 자기 스토밍 기간 동안 프롬프트 투과 전기장(PPEFs)이 이온층 대류와 F층 상향 이동을 어떻게 유도하는지 분석하는 것.
• 현장 측정 데이터를 활용하여 열층 밀도 증가의 낮과 밤의 비대칭성을 설명하는 것.
• 손실된 위성에 대해 궤도 상승 조치가 이루어지지 않았다는 가정을 내세운 대안적 설명들을 도전하는 것.
• 스타링크와 같은 저궤도 위성 편대에 대한 스톰 기간 동안의 이온층 역학적 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 2022년 2월 자기 스토밍 기간 동안 약 500km 고도에서 유럽우주기구(ESA) 스웨어 B 위성의 현장 열층 밀도 측정 데이터 분석.
• SYM-H 지수 데이터를 활용하여 최대 강도가 각각 -80 nT 및 -71 nT인 자기 스토밍 주기의 주요 단계를 식별.
• 프롬프트 투과 전기장(PPEFs) 및 그들이 일광면 F층 이온층의 ExB 대류에 미치는 영향 모델링.
• ExB 대류를 통한 이온층 O+ 이온 상향 이동 속도 계산을 통해 위성에 작용하는 대기 저항 증가를 유도.
• 일광면(50% 증가)과 야광면(100–190% 증가) 영역의 스톰 기간 동안의 밀도 증가를 비교하여 대류 패tern 유추.
• 위성 추적 데이터를 이온층 대류 모델과 통합하여 궤도 상승 조치가 있었음에도 손실 메커니즘을 설명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 210km 고도에서 궤도 상승 조치를 받았음에도 불구하고 40대의 Starlink 위성이 대기권에 재진입한 원인은 무엇인가?
• RQ2 2022년 2월 자기 스토밍 기간 동안 프롬프트 투과 전기장이 이온층 대류와 O+ 이온 상향 이동에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ3 스톰 주요 단계 기간 동안 열층 밀도 증가에 낮과 밤의 뚜렷한 비대칭성이 나타난 이유는 무엇인가?
• RQ4 특히 ExB 대류를 포함한 스톰 기간 동안의 이온층 역학적 요동이 LEO 위성에 대한 대기 저항 증가에 어느 정도 기여했는가?
• RQ5 스웨어 B 위성의 현장 측정 데이터는 위성 손실에 대한 대안적 가설을 지지하거나 도전하는가?

주요 결과

• 자기 스토밍 기간 동안 일광면 적도 및 중위도 열층 밀도는 500km 고도에서 평소 낮시간 값보다 약 50% 증가하였다.
• 야광면 열층 밀도는 평소 야간 값보다 100–190% 증가하여 뚜렷한 낮과 밤의 비대칭성을 보였다.
• 프롬프트 투과 전기장(PPEFs)이 일광면 F층에서 O+ 이온 상향 이동을 유도하는 주요 원인으로 확인되었다.
• 다른 전기장 구조에 의해 유도된 야광면에서의 O+ 이온 하향 대류가 그곳에서 더 큰 밀도 증가를 설명한다.
• 일광면 이온층 상향 이동과 야광면 대류의 조합이 관측된 대기 밀도 비대칭성과 그로 인한 Starlink 위성에 작용하는 증가된 저항을 설명한다.
• 이 연구는 PPEF에 의해 유도된 이온층 대류가 40대 위성 손실의 가장 가능성 있는 원인임을 결론 내리며, 궤도 상승 조치가 이루어지지 않았다는 가정을 내세운 모델들과 모순된다.