昨日，來自中國氣象局「大地磁暴預警」的刷屏。預警稱，本次地磁暴活動從3月24日持續到3月26日，可能發生中等以上地磁暴甚至大地磁暴。
每逢遇到地磁暴預警，新聞中總會提及「全球定位系統GPS可能失靈」。但大家拿出手機，貌似定位並沒有什麼變化，各家地圖的導航也一如既往地把你帶向各種奇奇怪怪的小路。儘管還是會迷路，但導航衛星失靈可不背這個鍋。
2010年5月一次地磁暴中NASA拍攝的極光照片丨NASA
是預報誇大其詞了嗎？倒也未必，歷史上最有名的一次地磁暴是1859年的卡林頓事件，那一場太陽風暴導致歐洲和北美的電報系統失靈，甚至讓操作電報機的工作人員遭到了電擊。
如果這場電磁暴發生在今天，極度依賴電力的現代社會可能會陷入持續好幾天的癱瘓與混亂——很顯然它並沒有發生，證據就是你還在刷着手機閱讀這篇文章。
為什麼地磁暴可能影響導航衛星
地磁暴可以用一種簡單粗暴的方式來威脅衛星：加厚大氣層。它的原理和我們燒開水差不多，強烈的地磁暴會加熱高處的大氣層，它們會像彈開的棉花一樣向上膨脹。衛星不能在大氣中飛行，否則只會變成一顆流星。
2022年2月3日，SpaceX發射了49顆星鏈衛星，但第二天恰逢地磁暴，其中整整40顆都變成了煙花。
藝術家筆下描繪的太陽風粒子影響地球的磁層丨NASA
但面對導航衛星，無論GPS還是北斗衛星，地磁暴和大氣層表示心有餘而力不足：手太短，夠不到。
以北斗衛星為例，它們距離地面的高度至少有2萬千米，差不多相當於從漠河到三亞往返兩次。相比之下，國際空間站以及遙感衛星的高度就只有400公里，它們才會被地磁暴威脅到瑟瑟發抖，必須在地磁暴發生前趕緊爬升高度。
全球定位系統正慶幸自己倖免於難，被大氣層笑着拍拍肩膀，一手指向地面：雖然我干擾不了你，但我可以騷擾你的客戶啊！
地磁暴會干擾地面上的衛星信號接收系統，包括你的手機。
導航衛星系統本質上是多個衛星組成的大喇叭，每顆衛星隨時都在輸出兩條非常簡單的內容：衛星轉到哪裏了，現在幾點了。導航衛星的原理也不複雜，電磁波信號以光速前進，只要知道了發送信號和接收信號的時間差，就能知道自己和這顆衛星之間的距離。如果頭頂有4顆衛星，我們就可以解算出自己的精確位置。
但是導航衛星在太空中移動的速度非常快，快到了鍾慢效應已經無法被忽視的地步。我們可以僅憑牛頓三定律就把人類送上月球，但如果沒有相對論，全球定位系統就永遠也無法正常運作。這也導致了發出和接收信號時間差的計算必須非常精準，如果時間差出了億分之一秒，實際的距離就會偏離3米遠。
大氣層掏出自己的電離層，地磁暴將它一陣蹂躪，一時間電離層變得皺皺巴巴，薄厚不均，它們對着導航衛星微微一笑：來，繼續發信號啊。
地磁暴對電離層的擾動有兩種級別。第一種情況下手比較溫柔，衛星信號會遭到延遲或減弱，但如果使用多頻接收機就可以抵消它的影響。第二種屬於狂暴模式，電離層像是被打濕後又沒曬乾的棉被，有的地方又薄又輕，有的地方又厚又重，這種完全無規律的擾動會讓信號束手無策，甚至完全丟失。
但好在這種級別的地磁暴尚屬幾百年一遇，如果想要未雨綢繆，也許可以鍛煉一下閱讀紙質地圖的能力。
參考文獻
[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.
