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子午工程:探秘人类生存发展的“第四环境”

来源:科技日报2019-04-18 09:05

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  晴朗的夜空下,一黄一绿,两束平行的光柱从地面直刺苍穹。这不是灯光秀,而是科研人员在做观测实验。光柱的源头,是子午工程设在北京市延庆县大榆树镇大泥河村的观测站点。

  “只要天气好,我们便开启激光雷达设备,对中高层大气的风场、密度、温度和成分进行探测。”子午工程激光雷达副主任设计师王继红在接受科技日报记者采访时说。

  全称为“东半球空间环境地基综合监测子午链”的子午工程,是我国空间科学领域首个国家重大科技基础设施项目,也是科学家们为探秘“第四环境”布下的“地网”。包括延庆站在内的多个观测台站,组成了子午工程的“耳目尖兵”。

  “耳聪目明”的地基监测网

  陆地、海洋、大气层之外,受地球磁场影响的地球空间系统,被认为是人类生存和发展的“第四环境”。太阳系宜居带的三大行星中,只有地球具有磁场。

  上世纪50年代,人类走出地球探索太空, 最初的发现之一就是地球大气之外的地磁圈。在以亿年计的宇宙时间尺度上,磁场对大气演化起着主导作用,进而也是生命起源的一大要素。

  而从较短的时间尺度来看,比如从分钟到天,地球磁场向地球传递来自太阳爆发性活动的能量,触发灾害性空间天气现象,对航天系统、电力能源系统等产生严重影响。

  太阳上发生的扰动如何经过浩瀚的行星际空间传播到地球空间,进而如何影响地球空间环境?“了解灾害性空间天气的脾气,探索其背后的规律,是子午工程的主要科学目标。”子午工程项目总工程师王赤说。

  事实上,我国较早开始了对空间环境的地基监测,但过去的地基监测多是单个台站进行孤立的监测,没有形成协调统一的观测体系。2012年10月,子午工程正式建成运行,改变了这一局面。

  据介绍,沿着东经120°子午线附近至北向南,从漠河到海南,并延伸到南极中山站,在北纬30°纬度线附近由东向西,从上海至拉萨,子午工程利用15个监测台站,构建起一个以链为主、链网结合的大型地基空间环境监测系统。

  子午工程创造了多项世界之最。验收专家组给出的高度评价,令王赤记忆犹新。专家们认为,子午工程是目前国际上监测空间范围最广、地域跨度最大、监测空间环境物理参数最多、综合性最强的地基空间环境监测网。

  综合运用无线电、地磁、光学和探空火箭等多种探测手段,子午工程可以连续监测地球表面20—30公里以上直到几百公里的中高层大气、电离层和磁层,以及十几个地球半径以外的行星际空间环境参数。

  对空间天气扰动形成新认识

  运行以来,子午工程积攒了不少数据家底。据统计,截至2018年9月底,子午工程已获取64种空间环境参数,超过1500万个数据文件,近5TB的监测数据。

  更重要的是,科学家们利用子午工程获取的大量数据,在我国上空空间环境特征研究,以及地球空间各个圈层之间的耦合研究等方面取得了一些新认识。

  “借助子午工程,我们第一次观测到我国上空空间环境对太阳风暴的大范围响应和传播过程,首次发现空间天气事件从低纬向高纬传播的新现象。”王赤表示。

  如果只有单一的观测站点,只能了解局部的情况,难以认识空间天气在一定地域范围内的传播过程。而依靠部署在一纵一横两个维度的多个站点,子午工程可以一览空间天气事件在站点链上传播和演化的全貌。

  事实上,“第四环境”并非孤立存在的。地磁圈和地球表面岩石圈、水圈,以及地球大气层、电离层一直在相互发生耦合作用。各个圈层之间相互作用的机理,也一直是国际学术界关注的前沿科学问题。

  地壳板块剧烈运动产生的扰动,可以沿着磁场向上通过大气层传到电离层,形成整体波动现象。“比如,日本发生了一次大的地震,地震波如何传播到电离层,电离层会有什么样的反应,电离层的反应又是如何反馈到磁层的?”王赤介绍,利用多学科交叉的探测手段,在认识不同圈层耦合的关键环节和物理过程方面,子午工程也取得了重要的进展。

  此外,子午工程还大幅提升了我国在国际空间科学领域的地位与影响力。2012年8月发布的《美国太阳与空间物理十年发展战略规划》中将以子午工程为基础的国际子午圈计划列为重要的大型国际合作项目。

  为航天活动保驾护航

  在基础研究领域取得进展的同时,子午工程还为我国航天活动如天宫一号、神舟八号、神舟九号的发射,以及交会对接等任务提供了大量的数据支撑服务。

  和地球天气一样,空间环境也常常会出现一些突发的、灾害性的空间天气变化,有时会使卫星运行、通信、导航和电力系统遭到破坏。

  以航天系统为例,一旦发生灾害性空间天气,会导致数天内恒星定位系统无法工作,影响姿态控制;航天器表面充放电事件频发,引起控制信号紊乱;太阳能电池严重退化甚至毁损等。

  因此,及时准确的空间天气预报,对航天活动的重要性不言而喻。据介绍,基于子午工程等重大设施,研究团队围绕空间天气物理过程、预报模式等取得了一批原创性成果,初步构建了我国空间天气数值预报模式,为载人航天、探月工程等提供了及时、高效的空间天气预报服务。

  天宫二号发射前,中科院空间环境研究预报中心开展了为期半年的天宫二号发射窗口安全期预报,对太阳黑子数、质子事件等进行了长期预报。在天宫二号发射至神舟十一号飞船顺利返回地面的过程中,工作人员24小时不间断进行空间环境监测,每天提供3次预报产品。针对交会对接任务高精度的轨道预测需求,提供空间环境参数预报产品。

  “提供高精度、高时变的空间天气数值预报是我们努力的方向。在国际空间环境服务机构的16个区域预警中心里,我们的综合预报能力位居前列。”王赤说。

  建成运行6年多来,子午工程围绕科学目标和支撑应用方面取得的进展令王赤感到欣慰。今年2月,子午工程二期项目获得了国家发改委的可行性研究报告批复,目前正在进行初步设计工作。(记者 唐 婷)

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