Global electron content and neutral density of the thermosphere at Starlink launches in 2019–2023

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In order to avoid emergency situation it is necessary to take into account impact of disturbances in space environment during launch of space vehicles. This paper examines changes in the neutral density of the thermosphere (ρ) according toSwarmsatellites and global electron content (GEC) from JPL GIM-TEC maps during 130Starlinksatellite launches in 2019-2023. The variations ofρ and GEC over the 24-hour period centered at the launch time were identified and analyzed. The spatial distribution and evolution of ρ and GEC in terms of solar activity, season and level of geomagnetic activity before and after eachStarlinklaunch event were investigated. It is shown that with increasing the phaseΦof the solar cycle (SC) fromΦ=0.5 (February 2022) to a maximumΦ=1 (April 2024) of SC25, the value ofGEC andρincreaseby 2.1 and 3.5 times, respectively. During this period, 75 magnetic storms of categories NOAA G1−G4 were observed at Kp≥5.0, of which 19 storms has occurred in the interval±24 hours from the moment ofStarlinklaunch. Only in one case an emergency was observed on February 3, 2022, during the launch ofS-36, when 38 out of 49 satellites left orbit during a minor two-phase geomagnetic storm of level G1 (Kp=5.3). Comparison is made with another successful launchS-77on March 23, 2023 during an intense magnetic storm of category G3 (Kp=7.3). It is shown that at theS-77launch the neutral density ρ prevailed in the northern high latitudes, while in the case ofS-36, the thermosphere was denser near the equator. AfterS-36launch, the transition from the positive to negative perturbation of GEC has happened while a strictly negative GEC anomaly was observed in the case ofS-77. The examples considered show that the intensity of a geomagnetic storm is not the only criterion for an emergency situation. Other characteristics should be taken into account when launching spacecraft, including an increase in electron content in the ionosphere and the density of the neutral atmosphere, accompanied by increased satellites drag at low orbits.

About the authors

T. L. Gulyaeva

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Email: gulyaeva@izmiran.ru
Moscow, Russia

R. Yu. Lukianova

Space Research Institute

Author for correspondence.
Email: lukianova@cosmos.ru
Moscow, Russia

References

  1. Hapgood M., Liu H., Lugaz N. SpaceX — Sailing close to the space weather? // Space Weather. 2022. V. 20(3). Art.ID. e2022SW003074. https://doi.org/10.1029/2022SW003074
  2. Dang T., Li X., Luo B. et al.Unveiling the space weather during the Starlink satellites destruction event on 4 February 2022 // Space Weather. 2022. V. 20(8). Art.ID. e2022SW003152. https://doi.org/10.1029/2022sw003152
  3. Fang T.-W., Kubaryk A., Goldstein D. et al.Space weather environment during the SpaceX Starlink satellite loss in February 2022 // Space Weather. 2022. V. 20(11). Art.ID. e2022SW003193. https://doi.org/10.1029/2022sw003193
  4. Lin D., Wang W., Garcia-Sage K. et al. Thermospheric neutral density variation during the “SpaceX” storm: Implications from physics-based whole geospace modeling // Space Weather. 2022. V. 20(12). Art.ID. e2022SW003254. https://doi.org/10.1029/2022sw003254
  5. Zhang Y., Paxton L.J., Schaefer R. et al. Thermospheric conditions associated with the loss of 40 Starlink satellites. Space Weather. 2022. V. 20. Art.ID. e2022SW003168. https://doi.org/10.1029/2022SW003168
  6. Kataoka R., Shiota D., Fujiwara H. et al. Unexpected space weather causing the reentry of 38 Starlink satellites in February 2022 // J. Space Weather Space Climate.2022. V. 12. Art.ID. 41. https://doi.org/10.1051/swsc/2022034
  7. Berger T.E., Dominique M., Lucas G. et al.The thermosphere is a drag: The 2022 Starlink incident and the threat of geomagnetic storms to low Earth orbit space operations // Space Weather. 2023. V. 21(3). Art.ID. e2022SW003330. https://doi.org/10.1029/2022sw003330
  8. Laskar F.I., Sutton E.K., Lin D. et al. Thermospheric temperature and density variability during 3–4February 2022 minor geomagnetic storm // Space Weather. 2023. V. 21(4). Art.ID. e2022SW003349. https://doi.org/10.1029/2022sw003349
  9. Gulyaeva T., Lukianova R., Haralambous H.Ionosphere heterogeneities at dawn−dusk terminator related to the Starlink satellites launch disaster on 3−8 February 2022 //J. Geophysical Research: Space Physics.2023. V. 128. Art.ID. e2023JA031577. https://doi.org/10.1029/2023JA031577
  10. Li S., Ren Z., Yu T., Chen G. et al. The daytime variations of thermospheric temperature and neutral density over Beijing during minor geomagnetic storm on 3–4 February 2022 // Space Weather. 2024. V. 22. Art.ID. e2023SW003677. https://doi.org/10.1029/2023SW003677
  11. Gulyaeva T., Hernández-Pajares M., Stanislawska I. Ionospheric Weather at Two Starlink Launches during Two-Phase Geomagnetic Storms // Sensors. 2023. V. 23(15). Art.ID. 7005. https://doi.org/10.3390/s23157005
  12. Billett D.D., Sartipzadeh K., Ivarsen M.F. et al. The 2022 Starlink geomagnetic storms: Global thermospheric response to a high-latitude ionospheric driver // Space Weather. 2024. V. 22. Art.ID. e2023SW003748. https://doi.org/10.1029/2023SW003748
  13. Gulyaeva T.L., Arikan F., Hernandez-Pajares M. et al.North-south components of the annual asymmetry in the ionosphere // Radio Science. 2014. V. 49(7). P. 485–496. https://doi.org/10.1002/2014RS005401
  14. Gulyaeva T., Stanislawska I., Lukianova R. Arctic−Antarctic asymmetry of the ionospheric weather // Advances in Space Research. 2023. V. 72(12). P. 5428–5442. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.05.008
  15. Mannucci A.J.,Tsurutani B.Ionosphere and Thermosphere Responses to Extreme Geomagnetic Storms/Extreme Events in Geospace: Origins, Predictability, and Consequences. Ed. Natalia Buzulukova. Chapter 20. Elsevier, 2017. P. 493–513. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812700-1.00020-0
  16. Афраймович Э.Л., Астафьева Э.И., Живетьев И.В.Солнечная активность и глобальное электронное содержание // Доклады Российской академии наук. 2006. Т. 409. № 3. С. 399–402.
  17. Клименко М.В., Клименко В.В., Бессараб Ф.С. и др.О возможных причинах положительного возмущения глобального электронного содержания в период сложного гелио-геофизического события в сентябре 2017 года // Космические исследования. 2021. Т. 59. № 6. С. 483–488. https://doi.org/10.31857/S0023420621060042
  18. Friis-Christensen E., Lühr H., Knudsen D. et al.Swarm — an Earth observation mission investigating geospace // Advances in Space Research. 2008. V. 41(1). P. 210–216. https://doi.org/10.1016/j.asr.2006.10.008
  19. Siemes C., Teixeira da Encarnacao J., Doornbos E. et al.Swarm accelerometer data processing from raw accelerometers to thermospheric densities // Earth, Planets, Space.2016. V. 68(92). P. 1–16. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0474-5
  20. den Ijssel J. van, Doornbos E., Iorfida E. et al.Thermosphere densities derived fromSwarmGPS observations // Advances in Space Research. 2020. V. 65(7). P. 1758–1771. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.01.004
  21. Clette F., Lefevre L., Chatzistergos T. et al. Recalibration of the Sunspot−N: Status Report // Solar Physics. 2023. V. 298. Art.ID. 3. https://doi.org/10.1007/s11207-023-02136-3
  22. Emmert J.T., Picone J.M.Climatology of globally averaged thermospheric mass density // J. Geophysical Research: Space Physics.2010. V. 115. Art.ID. A09326.http://dx.doi.org/10.1029/2010JA015298
  23. Gulyaeva T.L.Predicting indices of the ionosphere response to solar activity for the ascending phase of the 25th solar cycle // Advances in Space Research. 2019. V. 63. Iss. 5. P. 1588‒1595. https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.11.002
  24. de Souza Franco A.M., Hajra R., Echer E. et al.Seasonal features of geomagnetic activity: a study on the solar activity dependence // Ann. Geophys. 2021. V. 39. P. 929–943. https://doi.org/10.5194/angeo-39-929-2021
  25. Fuller-Rowell T.J.The “thermospheric spoon”: A mechanism for the semiannual density variation // J. Geophysical Research. 1998. V. 103. P. 3951–3956. https://doi.org/10.1029/97ja03335
  26. Matzka J., Stolle C., Yamazaki Y. et al.The geomagnetic Kp index and derived indices of geomagnetic activity // Space Weather. 2021. V. 19. Art.ID. e2020SW002641. https://doi.org/10.1029/2020SW002641
  27. YamazakiY.,MatzkaJ.,StolleC. et al.Geomagnetic activity index Hpo // Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49. https://doi.org/10.1029/2022GL098860
  28. Sugiura M.Hourly values of equatorial Dst for the IGY // Annals Int. Geophys. Year. V. 35. Oxford: Pergamon Press, 1964.
  29. Лукьянова Р.Ю.Влияние продольных токов на электронную концентрацию в ионосфере: сопряженные наблюдения спутниковSwarmи радара ESR // Космические исследования.2023. Т. 61(6). С. 466–475. https://doi.org/10.31857/S0023420623600083
  30. Holappa L., Robinson R.M., Pulkkinen A. et al.Explicit IMF By-dependence in geomagnetic activity: Quantifying ionospheric electrodynamics // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V. 126. Art.ID. e2021JA029202. https://doi.org/10.1029/2021JA029202
  31. Leonard J.M., Forbes J.M., Born G.H. Impact of tidal density variability on orbital and reentry predictions // Space Weather. 2012. V. 10. Art.ID. S12003. http://dx.doi.org/10.1029/2012SW000842
  32. Gulyaeva T.L.Interaction of global electron content with the Sun and solar wind during intense geomagnetic storms //Planetary and Space Sci.2024. V. 240. Art.ID. 105830. https://doi.org/10.1016/j.pss.2023.105830

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».