地球周边的宇宙空间正日益拥挤。依据欧洲空间局（ESA）的报告，人造卫星的年发射数量已从2015年的约200颗跃升至2024年的2700颗，“G科学学术会议”就人造卫星与空间碎片的碰撞风险问题敲响警钟。在高度数百公里的低轨道上，微量存在的大气阻力（空气阻力）会造成卫星轨道偏离，因此要防范碰撞事故，“何时、何地存在多少大气”等精准大气密度数据不可或缺。京都大学“生存圈研究所”的山本卫特任教授利用SpaceX公司的星链卫星公开轨道数据，验证了一种用于卫星轨道高度大气密度可视化的新方法。相关研究成果以快报形式发表在期刊《Earth, Planets and Space》上。
图1 利用大气阻力测量卫星高度（热层）大气密度的原理图（左）；本研究推算的482km高度大气密度经纬度分布（右上：实测值）以及经验模型预测的大气密度分布（右下：对照模型）（供图：京都大学）
目前，地球环绕轨道上的星链卫星总数已达约1万颗。为规避星链卫星与其他卫星碰撞，SpaceX每日发布3次（约每8小时一次）被称作星历（ephemeris）的详细轨道信息。
研究团队利用这份公开的星历数据，对卫星飞行高度的大气密度展开了研究。
大气受引力作用，被吸引在地球周围，地表处密度最高，随着高度升高呈指数级递减。例如在482公里高度，大气密度仅为地表的约1万亿分之一，极为稀薄，因此卫星可持续环绕地球运行。然而，大气阻力会造成卫星轨道能量衰减，因此会使卫星缓慢下落。星链卫星配备有推进装置，在轨工作的卫星会执行加速操作（轨道机动操作）持续维持轨道高度。
研究团队在4月发表的论文中，利用星链卫星的常规轨道数据，筛选出完成使命后正在自然下落的卫星，分析其下落状态，从而揭示了200～600公里高度范围内大气密度的高度分布。这种方法早已有之，创新点在于利用了星链系统的大量同类型卫星，成功提升了大气密度数据的时间分辨率。
在本次发表的论文中，研究团队使用星链卫星的星历信息展开的解析。通过综合飞行在482公里高度附近的约1200颗卫星所感知的大气阻力，成功以面状快照的形式捕捉到了超稀薄大气的密度。
研究为此使用的数据分析技术，为层析成像（断层扫描）技术，与通过将人体断层切片并进行可视化的CT扫描、MRI成像等技术原理相同。CT扫描会从各个角度测量X射线穿透人体时的衰减，再综合测量结果生成断层照片。研究团队通过综合大量绕地球运行的卫星所“感知”到的能量衰减，求得了密度的经纬度分布。该结果与经验模型及其他卫星的实测结果吻合程度极高。数据分析方法和结果，均属全球首创。
地球大气与宇宙空间的衔接区域位于高度100～1000公里范围，被称为超高层大气。超高层大气的大气密度虽是大气科学的基础参数，但因大气极度稀薄、观测手段受限，长期以来被学界认为“谜团重重”。本次研究表明，星链卫星的轨道信息可有效用于估算卫星周边的大气密度。
由于星链卫星的星历数据每日更新多达3次，因此可生成时空分辨率远高于传统手段的大气密度数据。这一进展不仅对超高层大气研究本身影响重大，也将为揭示地球大气与宇宙空间的相互作用提供关键的数据支撑。
研究团队表示：“未来我们希望推进构建这样一种实时数据服务，在数据发布后即刻转换为大气密度数据并对外发布。”
山本特任教授表示：“本研究是在2024年得知星链卫星规模达到数千颗后启动的。超高层大气密度数据即便在科研层面也存在严重不足，本研究是填补这一空白的重要成果。本研究的妙处，在于融合了超高层大气科学（地球科学）与卫星轨道力学（航天工程）的知识。利用最新的AI技术，我们衔接起两个相距甚远的研究领域，快速实现了高效的数据处理。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Earth, Planets and Space
论文：Tomography of Thermospheric Density from Starlink Ephemeris: Initial report
DOI：10.1186/s40623-026-02509-5
期刊：Earth, Planets and Space
论文：Thermospheric density from Starlink TLE, Data analysis and preliminary results
DOI：10.1186/s40623-026-02402-1
