地球周邊的宇宙空間正日益擁擠。依據歐洲空間局（ESA）的報告，人造衛星的年發射數量已從2015年的約200顆躍升至2024年的2700顆，「G科學學術會議」就人造衛星與太空碎片的碰撞風險問題敲響警鐘。在高度數百公里的低軌道上，微量存在的大氣阻力（空氣阻力）會造成衛星軌道偏離，因此要防範碰撞事故，「何時、何地存在多少大氣」等精準大氣密度數據不可或缺。京都大學「生存圈研究所」的山本衛特任教授利用SpaceX公司的星鏈衛星公開軌道數據，驗證了一種用於衛星軌道高度大氣密度視覺化的新方法。相關研究成果以快報形式發表在期刊《Earth, Planets and Space》上。
圖1 利用大氣阻力測量衛星高度（熱層）大氣密度的示意圖（左）；本研究推算的482km高度大氣密度經緯度分布（右上：實測值）以及經驗模型預測的大氣密度分布（右下：對照模型）（圖片提供：京都大學）
目前，地球環繞軌道上的星鏈衛星總數已達約1萬顆。為規避星鏈衛星與其他衛星碰撞，SpaceX每日發布3次（約每8小時一次）被稱作星曆（ephemeris）的詳細軌道資訊。
研究團隊利用這份公開的星曆數據，對衛星飛行高度的大氣密度展開了研究。
大氣受引力作用，被吸引在地球周圍，地表處密度最高，隨著高度升高呈指數級遞減。例如在482公里高度，大氣密度僅為地表的約1萬億分之一，極為稀薄，因此衛星可持續環繞地球運行。然而，大氣阻力會造成衛星軌道能量衰減，因此會使衛星緩慢下落。星鏈衛星配備有推進裝置，在軌工作的衛星會執行加速操作（軌道機動操作）持續維持軌道高度。
研究團隊在4月發表的論文中，利用星鏈衛星的常規軌道數據，篩選出完成使命後正在自然下落的衛星，分析其下落狀態，從而揭示了200～600公里高度範圍內大氣密度的高度分佈。這種方法早已有之，創新點在於利用了星鏈系統的大量同類型衛星，成功提升了大氣密度數據的時間解析度。
在本次發表的論文中，研究團隊使用星鏈衛星的星曆資訊展開的解析。通過綜合飛行在482公里高度附近的約1200顆衛星所感知的大氣阻力，成功以面狀快照的形式捕捉到了超稀薄大氣的密度。
研究為此使用的數據分析技術，為層析成像（斷層掃描）技術，與通過將人體斷層切片並進行視覺化的CT掃描、MRI成像等技術原理相同。CT掃描會從各個角度測量X射線穿透人體時的衰減，再綜合測量結果生成斷層照片。研究團隊通過綜合大量繞地球運行的衛星所「感知」到的能量衰減，求得了密度的經緯度分布。該結果與經驗模型及其他衛星的實測結果吻合程度極高。數據分析方法和結果，均屬全球首創。
地球大氣與宇宙空間的銜接區域位於高度100～1000公里範圍，被稱為超高層大氣。超高層大氣的大氣密度雖是大氣科學的基礎參數，但因大氣極度稀薄、觀測手段受限，長期以來被學界認為「謎團重重」。本次研究表明，星鏈衛星的軌道資訊可有效用於估算衛星周邊的大氣密度。
由於星鏈衛星的星曆數據每日更新多達3次，因此可生成時空解析度遠高於傳統手段的大氣密度數據。這一進展不僅對超高層大氣研究本身影響重大，也將為揭示地球大氣與宇宙空間的相互作用提供關鍵的數據支撐。
研究團隊表示：「未來我們希望推進構建這樣一種即時數據服務，在數據發布後即刻轉換為大氣密度數據並對外發布。」
山本特任教授表示：「本研究是在2024年得知星鏈衛星規模達到數千顆後啟動的。超高層大氣密度數據即便在科研層面也存在嚴重不足，本研究是填補這一空白的重要成果。本研究的妙處，在於融合了超高層大氣科學（地球科學）與衛星軌道力學（航太工程）的知識。利用最新的AI技術，我們銜接起兩個相距甚遠的研究領域，快速實現了高效的數據處理。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Earth, Planets and Space
論文：Tomography of Thermospheric Density from Starlink Ephemeris: Initial report
DOI：10.1186/s40623-026-02509-5
期刊：Earth, Planets and Space
論文：Thermospheric density from Starlink TLE, Data analysis and preliminary results
DOI：10.1186/s40623-026-02402-1
