子午工程：探秘人類生存發(fā)展的“第四環(huán)境”

　　原標題：子午工程：探秘人類生存發(fā)展的“第四環(huán)境”

　　走近大科學工程

　　晴朗的夜空下，一黃一綠，兩束平行的光柱從地面直刺蒼穹。這不是燈光秀，而是科研人員在做觀測實驗。光柱的源頭，是子午工程設(shè)在北京市延慶縣大榆樹鎮(zhèn)大泥河村的觀測站點。
 

“只要天氣好，我們便開啟激光雷達設(shè)備，對中高層大氣的風場、密度、溫度和成分進行探測。”子午工程激光雷達副主任設(shè)計師王繼紅在接受科技日報記者采訪時說。

　　全稱為“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈”的子午工程，是我國空間科學領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，也是科學家們?yōu)樘矫?ldquo;第四環(huán)境”布下的“地網(wǎng)”。包括延慶站在內(nèi)的多個觀測臺站，組成了子午工程的“耳目尖兵”。

　　“耳聰目明”的地基監(jiān)測網(wǎng)

　　陸地、海洋、大氣層之外，受地球磁場影響的地球空間系統(tǒng)，被認為是人類生存和發(fā)展的“第四環(huán)境”。太陽系宜居帶的三大行星中，只有地球具有磁場。

　　上世紀50年代，人類走出地球探索太空, 最初的發(fā)現(xiàn)之一就是地球大氣之外的地磁圈。在以億年計的宇宙時間尺度上，磁場對大氣演化起著主導作用，進而也是生命起源的一大要素。

　　而從較短的時間尺度來看，比如從分鐘到天，地球磁場向地球傳遞來自太陽爆發(fā)性活動的能量，觸發(fā)災害性空間天氣現(xiàn)象，對航天系統(tǒng)、電力能源系統(tǒng)等產(chǎn)生嚴重影響。

　　太陽上發(fā)生的擾動如何經(jīng)過浩瀚的行星際空間傳播到地球空間，進而如何影響地球空間環(huán)境？“了解災害性空間天氣的脾氣，探索其背后的規(guī)律，是子午工程的主要科學目標。”子午工程項目總工程師王赤說。

　　事實上，我國較早開始了對空間環(huán)境的地基監(jiān)測，但過去的地基監(jiān)測多是單個臺站進行孤立的監(jiān)測，沒有形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的觀測體系。2012年10月，子午工程正式建成運行，改變了這一局面。

　　據(jù)介紹，沿著東經(jīng)120°子午線附近至北向南，從漠河到海南，并延伸到南極中山站，在北緯30°緯度線附近由東向西，從上海至拉薩，子午工程利用15個監(jiān)測臺站，構(gòu)建起一個以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型地基空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

　　子午工程創(chuàng)造了多項世界之最。驗收專家組給出的高度評價，令王赤記憶猶新。專家們認為，子午工程是目前國際上監(jiān)測空間范圍最廣、地域跨度最大、監(jiān)測空間環(huán)境物理參數(shù)最多、綜合性最強的地基空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。

　　綜合運用無線電、地磁、光學和探空火箭等多種探測手段，子午工程可以連續(xù)監(jiān)測地球表面20—30公里以上直到幾百公里的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環(huán)境參數(shù)。

　　對空間天氣擾動形成新認識

　　運行以來，子午工程積攢了不少數(shù)據(jù)家底。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年9月底，子午工程已獲取64種空間環(huán)境參數(shù)，超過1500萬個數(shù)據(jù)文件，近5TB的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　更重要的是，科學家們利用子午工程獲取的大量數(shù)據(jù)，在我國上空空間環(huán)境特征研究，以及地球空間各個圈層之間的耦合研究等方面取得了一些新認識。

　　“借助子午工程，我們第一次觀測到我國上空空間環(huán)境對太陽風暴的大范圍響應和傳播過程，首次發(fā)現(xiàn)空間天氣事件從低緯向高緯傳播的新現(xiàn)象。”王赤表示。

　　如果只有單一的觀測站點，只能了解局部的情況，難以認識空間天氣在一定地域范圍內(nèi)的傳播過程。而依靠部署在一縱一橫兩個維度的多個站點，子午工程可以一覽空間天氣事件在站點鏈上傳播和演化的全貌。

　　事實上，“第四環(huán)境”并非孤立存在的。地磁圈和地球表面巖石圈、水圈，以及地球大氣層、電離層一直在相互發(fā)生耦合作用。各個圈層之間相互作用的機理，也一直是國際學術(shù)界關(guān)注的前沿科學問題。

　　地殼板塊劇烈運動產(chǎn)生的擾動，可以沿著磁場向上通過大氣層傳到電離層，形成整體波動現(xiàn)象。“比如，日本發(fā)生了一次大的地震，地震波如何傳播到電離層，電離層會有什么樣的反應，電離層的反應又是如何反饋到磁層的？”王赤介紹，利用多學科交叉的探測手段，在認識不同圈層耦合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和物理過程方面，子午工程也取得了重要的進展。

　　此外，子午工程還大幅提升了我國在國際空間科學領(lǐng)域的地位與影響力。2012年8月發(fā)布的《美國太陽與空間物理十年發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》中將以子午工程為基礎(chǔ)的國際子午圈計劃列為重要的大型國際合作項目。

　　為航天活動保駕護航

　　在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得進展的同時，子午工程還為我國航天活動如天宮一號、神舟八號、神舟九號的發(fā)射，以及交會對接等任務提供了大量的數(shù)據(jù)支撐服務。

　　和地球天氣一樣，空間環(huán)境也常常會出現(xiàn)一些突發(fā)的、災害性的空間天氣變化，有時會使衛(wèi)星運行、通信、導航和電力系統(tǒng)遭到破壞。

　　以航天系統(tǒng)為例，一旦發(fā)生災害性空間天氣，會導致數(shù)天內(nèi)恒星定位系統(tǒng)無法工作，影響姿態(tài)控制；航天器表面充放電事件頻發(fā)，引起控制信號紊亂；太陽能電池嚴重退化甚至毀損等。

　　因此，及時準確的空間天氣預報，對航天活動的重要性不言而喻。據(jù)介紹，基于子午工程等重大設(shè)施，研究團隊圍繞空間天氣物理過程、預報模式等取得了一批原創(chuàng)性成果，初步構(gòu)建了我國空間天氣數(shù)值預報模式，為載人航天、探月工程等提供了及時、高效的空間天氣預報服務。

　　天宮二號發(fā)射前，中科院空間環(huán)境研究預報中心開展了為期半年的天宮二號發(fā)射窗口安全期預報，對太陽黑子數(shù)、質(zhì)子事件等進行了長期預報。在天宮二號發(fā)射至神舟十一號飛船順利返回地面的過程中，工作人員24小時不間斷進行空間環(huán)境監(jiān)測，每天提供3次預報產(chǎn)品。針對交會對接任務高精度的軌道預測需求，提供空間環(huán)境參數(shù)預報產(chǎn)品。

　　“提供高精度、高時變的空間天氣數(shù)值預報是我們努力的方向。在國際空間環(huán)境服務機構(gòu)的16個區(qū)域預警中心里，我們的綜合預報能力位居前列。”王赤說。

　　建成運行6年多來，子午工程圍繞科學目標和支撐應用方面取得的進展令王赤感到欣慰。今年2月，子午工程二期項目獲得了國家發(fā)改委的可行性研究報告批復，目前正在進行初步設(shè)計工作。（本報記者 唐 婷）