[论文解读] 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 16

一句话总结

该论文提出，在2022年2月的两次磁暴期间，瞬时穿透电场（PPEFs）通过ExB漂移在昼侧引发赤道和中纬度电离层F区O+离子的抬升，导致大气阻力增加，最终造成40颗Starlink卫星损失。电离层对流抬升现象经由Swarm B卫星数据证实，其在500公里高度处白天密度高出50%，解释了大气密度的昼夜不对称性以及尽管进行了轨道提升仍发生卫星性能下降的原因。

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.

研究动机与目标

• 调查尽管在初始阶段成功进行了轨道提升，2022年2月40颗Starlink卫星损失的原因。
• 分析瞬时穿透电场（PPEFs）在磁暴期间驱动电离层对流和F区抬升的作用。
• 利用现场Swarm B卫星测量数据，解释热层密度增加的昼夜不对称性。
• 挑战那些假设损失卫星未进行轨道提升的替代解释。
• 量化风暴期间电离层动力对低地球轨道星座（如Starlink）的影响。

提出的方法

• 分析欧洲航天局（ESA）Swarm B卫星在2022年2月磁暴期间，约500公里高度的现场热层密度测量数据。
• 利用SYM-H指数数据识别风暴主相期间，峰值强度分别为-80 nT和-71 nT的时段。
• 模拟瞬时穿透电场（PPEFs）及其对昼侧F区电离层ExB漂移的影响。
• 通过ExB漂移计算电离层O+离子的抬升速度，从而导致卫星受到增强的大气阻力。
• 比较风暴期间昼侧（增加50%）与夜侧（增加100–190%）区域的密度增强，推断对流模式。
• 将卫星跟踪数据与电离层对流模型相结合，解释尽管进行了轨道提升仍发生卫星损失的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在210公里高度进行了轨道提升，为何40颗Starlink卫星仍再入大气层？
• RQ2 瞬时穿透电场如何影响2022年2月磁暴期间的电离层对流和O+离子抬升？
• RQ3 为何在风暴主相期间热层密度增加表现出显著的昼夜不对称性？
• RQ4 风暴期间电离层动力，特别是ExB漂移，对低地球轨道卫星大气阻力增加的影响程度如何？
• RQ5 现场Swarm B卫星测量数据如何支持或挑战关于卫星损失的替代假设？

主要发现

• 在磁暴期间，500公里高度的昼侧赤道和中纬度热层密度较平静白天值高出约50%。
• 夜侧热层密度较平静夜间值高出100–190%，表明存在强烈的昼夜不对称性。
• 瞬时穿透电场（PPEFs）被确定为驱动ExB漂移的主要因素，导致昼侧F区O+离子向上抬升。
• 由不同电场配置驱动的夜侧O+离子下沉对流，解释了该区域更高的密度增强。
• 昼侧电离层抬升与夜侧对流的结合，解释了观测到的大气密度不对称性以及对Starlink卫星造成的额外阻力。
• 本研究得出结论：PPEF驱动的电离层对流是最可能造成40颗卫星损失的原因，与假设未实施轨道提升的模型相矛盾。