高层大气中超过99%由电中性气体组成，这种气体被称为热层。热层密度一词是指地球表面以上约100至1000公里之间这种中性大气的密度。相比之下，电离层的电离气体在大气中占比不到1%。由于电离气体影响无线电波的传播方式，观测电离层相对容易。测量热层的环境条件则要困难得多。
观测热层的新方法
更精确的热层密度测量可以推动高层大气研究，同时为航天工程提供宝贵信息。出于这两方面的需求，京都大学的研究人员开发了一种新技术，用于可视化这一难以观测的区域。
“这是一项空间科学与航天工程之间的跨学科研究，”通讯作者山本卫说道。“通过阅读这两个研究领域的论文，我们意识到两个领域的研究人员之间需要进行更深入的对话。”
研究人员利用Starlink卫星的公开轨道信息，并将通常与医学成像相关的层析成像技术应用于地球高层大气。通过卫星轨道逐渐衰减来考察大气阻力，团队估算出了在482公里高度飞行的约1200颗卫星周围的热层密度。
构建二维大气图
利用这些测量数据，研究人员生成了约500公里高度处热层密度的二维经纬度快照。据该团队称，这代表了同类研究中首次进行的层析分析。
得出的密度模式还显示出与欧洲航天局SWARM卫星观测结果的强一致性，这些卫星测量其轨道路径上的大气密度变化。
这项工作是对该团队早期研究的扩展。在那项研究中，科学家利用来自Starlink卫星的称为双行轨道根数（TLE）的通用轨道信息，估算了热层密度随时间和高度的变化。新的分析通过考察密度在纬度和经度上的水平变化，增加了另一个维度，揭示了更多关于热层的地理结构。
让拥挤的轨道更安全
随着绕地飞行物体数量的持续增长，这些发现可能带来实际效益。更准确的大气密度信息可以改进卫星运动的预测，有助于降低卫星之间以及卫星与太空碎片发生碰撞的几率。
该技术最终还可能支持对卫星周围大气密度的近实时测量。这种监测可以改善空间天气预报，并为未来更安全、更可靠的卫星运行做出贡献。