| 昨日，来自中国气象局“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，新闻中总会提及“全球定位系统GPS可能失灵”。但大家拿出手机，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，极度依赖电力的现代社会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手机阅读这篇文章。 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。它的原理和我们烧开水差不多，强烈的地磁暴会加热高处的大气层，它们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，国际空间站以及遥感卫星的高度就只有400公里，它们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，包括你的手机。 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或减弱，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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