3月21日，國家發(fā)展改革委批復(fù)建設(shè)的“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）正式通過國家驗收。這是我國建成的國際首個覆蓋日地空間全圈層（太陽風(fēng)-磁層-電離層-中高層大氣）的綜合性空間環(huán)境地基監(jiān)測設(shè)施，標(biāo)志著我國空間環(huán)境地基監(jiān)測能力躍居世界領(lǐng)先地位，為全球空間天氣研究貢獻出中國方案。
子午工程綜合信息與運控中心。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心供圖
空間環(huán)境地基監(jiān)測“三步走”
日地空間是當(dāng)前人類航天活動、空間開發(fā)利用的主要區(qū)域，是繼陸海空環(huán)境之后的“第四環(huán)境”。一般來說，日地空間環(huán)境是指地表20-30千米（平流層頂）以上直至太陽表面的廣闊區(qū)域，涵蓋了物理性質(zhì)不同的中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽日冕等五大圈層，是由太陽不斷向外輸出的巨大能量和物質(zhì)與地球大氣相互作用而形成的。
類似于地球天氣是地球大氣環(huán)境中短時間尺度的變化，太陽上出現(xiàn)一系列爆發(fā)現(xiàn)象，如耀斑和日冕物質(zhì)拋射等，會引起日地空間環(huán)境的等離子體、磁場、輻射、電離層及中高層大氣等空間環(huán)境狀態(tài)變化，被形象地稱為“空間天氣”。
在開發(fā)和利用空間的過程中，人類要面對災(zāi)害性空間天氣事件的威脅和影響。災(zāi)害性空間天氣可導(dǎo)致衛(wèi)星失效、通信中斷、導(dǎo)航偏差、電網(wǎng)癱瘓等重大風(fēng)險，威脅國家安全與民生基礎(chǔ)設(shè)施。
了解日地空間環(huán)境特征，揭示日地空間天氣鏈鎖變化過程及其變化規(guī)律，提升空間天氣預(yù)報水平，是搶占空間天氣科技制高點、滿足國家戰(zhàn)略需求和人民利益的迫切要求。
“空間環(huán)境監(jiān)測主要分為天基監(jiān)測和地基監(jiān)測兩種方式，‘兩條腿’缺一不可?！敝袊茖W(xué)院國家空間科學(xué)中心副主任、子午工程中心主任李暉介紹，天基監(jiān)測多采用衛(wèi)星等飛行器在空間進行探測，但受到軌道、重量、功耗、壽命等限制。相比之下，地基監(jiān)測具有連續(xù)、方便、可控、可信、經(jīng)濟可承受的優(yōu)勢。他舉例說，近年來，公眾經(jīng)常聽說的地磁暴，反映的就是地球中緯度地區(qū)的地磁擾動水平。地磁暴期間，地磁擾動具有晨昏差異特性，甚至可以超過50%的差異，所以地基監(jiān)測尤為必要。
我國科學(xué)家順應(yīng)時勢提出建設(shè)我國自主空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（即“子午工程”）的構(gòu)想，并制定了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略：一期成鏈，從無到有；二期組網(wǎng)，從有到強；三期立足國內(nèi)，引領(lǐng)世界，推動國際子午圈大科學(xué)計劃。
子午二期“織密”監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“從有到強”
2008年，我國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈（子午工程一期）開工建設(shè)。
地球的磁力線大致沿經(jīng)線（子午線）分布，空間天氣事件一般都沿磁力線傳播和演化，而隨著地球的自轉(zhuǎn)，利用子午線上的臺站聯(lián)合探測，可以實現(xiàn)對空間環(huán)境進行掃描觀測，類似于給地球空間環(huán)境做CT。
子午工程一期利用東經(jīng)120°子午線附近（北起漠河，經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站）、北緯30°附近（東起上海，經(jīng)武漢、成都，西至拉薩）的15個觀測臺站，共建設(shè)了87臺不同類型的監(jiān)測設(shè)備，采用地磁（電）、無線電、光學(xué)等手段，可連續(xù)監(jiān)測地球表面20千米到幾百千米高度的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間。
子午工程一期自2012年正式運行，已經(jīng)歷超過一個太陽周（11年），為提升我國空間環(huán)境研究和應(yīng)用水平作出了重要貢獻。
2019年，“十三五”規(guī)劃首批優(yōu)先啟動的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）開工建設(shè)。在子午工程一期的基礎(chǔ)上，新增了16個臺站、195臺（套）監(jiān)測設(shè)備，形成沿東經(jīng)100°、東經(jīng)120°、北緯40°、北緯30°附近“井”字形布局。
子午工程二期由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭，聯(lián)合8個部門的15家單位協(xié)同攻關(guān)，實現(xiàn)從太陽表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應(yīng)的全鏈條追蹤監(jiān)測。在子午工程一期的基礎(chǔ)上，子午工程二期新增了一系列先進的太陽-行星際監(jiān)測設(shè)備，形成對日地空間全鏈條的監(jiān)測能力（“一鏈”）；采用地磁、無線電、光學(xué)等手段，對我國區(qū)域的電離層、中高層大氣、地磁形成網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測能力（“三網(wǎng)”）；在極區(qū)高緯、北方中緯、海南（南方）低緯、青藏高原4個重點區(qū)域建設(shè)國際先進的大型監(jiān)測設(shè)備，開展對空間環(huán)境的精細“顯微”探測（“四聚焦”）。這種“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的架構(gòu)，將使得子午工程首次實現(xiàn)對日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測，顯著提升我國空間天氣預(yù)報預(yù)警能力。
“之前我們沒有系統(tǒng)性的空間環(huán)境地基監(jiān)測，都是零散、自發(fā)的，子午一期實現(xiàn)了‘從無到有’，探索出一條有組織監(jiān)測的路徑。一期關(guān)注的是我國近地空間環(huán)境，即地表幾百公里高度。我們主要采用了成熟的小型設(shè)備，而且大部分是來自于進口?！崩顣熣f，子午二期“從有到強”，能夠?qū)崿F(xiàn)對于空間天氣源頭——太陽日冕磁場、太陽表面活動、太陽射電爆發(fā)的連續(xù)監(jiān)測，范圍包括太陽到地球1.5億公里的廣袤空間。“我們走出了一條自立自強的道路，自主研制了以稻城圓環(huán)陣太陽射電望遠鏡為代表的一系列大型標(biāo)志性設(shè)備?！?/p>
試運行期間已捕捉到去年超級磁暴事件
據(jù)子午工程二期總工程師徐寄遙介紹，子午工程二期建成了一批大型監(jiān)測設(shè)備，其技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平，如全球最大綜合孔徑射電望遠鏡——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡，實現(xiàn)了最大視場達到10個Rs（太陽半徑）的連續(xù)穩(wěn)定的太陽射電成像與頻譜觀測能力，以及日冕射電活動的三維層析；國際首臺全季節(jié)觀測陣列式大口徑激光雷達，實現(xiàn)探測高度200-1000公里，其信號靈敏度是國際同類設(shè)備的100-200倍；全球探測能力最強的三站式相控陣非相干散射雷達，實現(xiàn)上千公里電離層的CT掃描和3分量成像探測能力；我國首臺行星際閃爍監(jiān)測望遠鏡，太陽風(fēng)三維結(jié)構(gòu)反演能力國際先進。
子午工程二期已經(jīng)連續(xù)獲取空間環(huán)境觀測數(shù)據(jù)，并對外提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，持續(xù)產(chǎn)出系列成果。在試運行期間，工程展現(xiàn)出卓越性能，如成功捕捉到2024年5月超級磁暴事件，完整記錄日地空間環(huán)境對太陽活動響應(yīng)的全過程，展現(xiàn)了其對空間天氣事件的快速、高精度、全局監(jiān)測能力。截至目前，利用子午工程二期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，已發(fā)表科技論文96篇，獲批專利等48項。
子午工程二期是我國“十三五”時期空間科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)志性工程，其覆蓋范圍最廣、監(jiān)測要素最全、綜合能力最強。子午工程二期將吸引全球科學(xué)家開展合作研究，為了解人類生存繼陸?？窄h(huán)境之后的“第四環(huán)境”作出重大貢獻。
目前子午工程一期和二期已融合運行。中國科學(xué)家還以子午工程為基礎(chǔ)，率先提出并主導(dǎo)實施國際子午圈大科學(xué)計劃，目標(biāo)是建立陸地最完整的東經(jīng)120°至西經(jīng)60°子午圈監(jiān)測鏈，實現(xiàn)對日地空間環(huán)境全緯度、全天候、日不落的立體觀測，解決太陽風(fēng)暴、地球磁場變化等全球性挑戰(zhàn)難題，為應(yīng)對空間天氣災(zāi)害、和平利用空間、在外空領(lǐng)域推動構(gòu)建人類命運共同體提供科學(xué)依據(jù)。
新京報記者 張璐
編輯 劉夢婕 校對 張彥君
