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王赤1，2 徐寄遙1，3 李暉1，3 陳志青1 丁凱1 王江燕1 任麗文1 劉正寬1

1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院

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人類生存和發(fā)展的“第四環(huán)境”

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類活動(dòng)逐漸超越了陸地、海洋和低層大氣的限制，向著更廣袤的日地空間延伸。日地空間是當(dāng)前人類航天活動(dòng)、空間開發(fā)利用及空間軍事活動(dòng)的主要區(qū)域，是與人類生存和發(fā)展息息相關(guān)的“第四環(huán)境”。一般來(lái)說(shuō)，日地空間環(huán)境是指地表20~30 km(平流層頂)以上直至太陽(yáng)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(yáng)日冕等五大圈層，是由太陽(yáng)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(shí)間尺度的變化，太陽(yáng)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(huì)引起日地空間環(huán)境的等離子體、磁場(chǎng)、輻射、電離層及中高層大氣等空間環(huán)境狀態(tài)變化，我們形象地稱之為“空間天氣”。在開發(fā)和利用空間的過(guò)程中，人類要面對(duì)災(zāi)害性空間天氣事件的威脅和影響。突發(fā)的、災(zāi)害性的空間天氣變化，有時(shí)會(huì)使衛(wèi)星運(yùn)行、通信、導(dǎo)航和地面的一些基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，影響天基和地基國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行和可靠性，甚至危及人類的健康和生命，進(jìn)而導(dǎo)致多方面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。了解日地空間環(huán)境特征，揭示日地空間天氣鏈鎖變化過(guò)程及其變化規(guī)律，提升空間天氣預(yù)報(bào)水平是搶占空間天氣科技制高點(diǎn)、滿足國(guó)家戰(zhàn)略需求和人民利益的迫切要求。

近年來(lái)，空間環(huán)境基礎(chǔ)研究方面的重大突破加深了人們對(duì)日地空間環(huán)境特征和變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解。然而，一些重要的科學(xué)問(wèn)題,如日地空間環(huán)境中的各種宏觀與微觀交織的非線性相互作用、近地空間不同圈層間的耦合過(guò)程，以及嚴(yán)重的空間天氣事件對(duì)地球空間環(huán)境和人類活動(dòng)的影響機(jī)理，我們還沒(méi)有完全了解，仍舊是當(dāng)今自然科學(xué)最富挑戰(zhàn)的國(guó)際前沿之一。由于缺乏空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的體系化建設(shè)，我國(guó)自主的空間環(huán)境預(yù)報(bào)保障能力依舊薄弱，最重要的體現(xiàn)之一是關(guān)鍵數(shù)據(jù)源嚴(yán)重依賴于國(guó)外的探測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)空間災(zāi)害性天氣的自主能力有限。這首先對(duì)我國(guó)空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力和水平提出了更高的迫切需求。

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空間環(huán)境地基探測(cè)

為了更好地進(jìn)出空間、利用空間，首先要認(rèn)識(shí)空間，掌握空間環(huán)境的變化規(guī)律至關(guān)重要，而開展空間環(huán)境探測(cè)則是其前提和基礎(chǔ)。空間環(huán)境監(jiān)測(cè)主要分為天基監(jiān)測(cè)和地基監(jiān)測(cè)兩種方式。天基探測(cè)多采用衛(wèi)星等飛行器在空間進(jìn)行探測(cè)，既能實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)，也能通過(guò)就位探測(cè)實(shí)現(xiàn)身臨其境。但受到軌道、重量、功耗、壽命的種種限制，天基探測(cè)遠(yuǎn)不能滿足時(shí)空變化極為復(fù)雜的空間環(huán)境研究的需要。相比之下，地基監(jiān)測(cè)因其具有“5C”(continuous連續(xù)、convenient 方便、controllable 可控、convincing可信、cheap 便宜)的優(yōu)越性，一直備受各空間大國(guó)青睞，是天地一體化空間環(huán)境監(jiān)測(cè)體系中的重要組成部分，可以獲得對(duì)一個(gè)區(qū)域連續(xù)、多參量、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

對(duì)于日地空間環(huán)境監(jiān)測(cè)而言，地基監(jiān)測(cè)是最古老的、也是持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的探測(cè)手段。人類很早就從極光、地磁場(chǎng)等易于觀察的現(xiàn)象開始了地基監(jiān)測(cè)和研究。到了近代，科學(xué)家們逐漸開始利用各種地面監(jiān)測(cè)設(shè)施對(duì)中高層大氣、電離層、磁層、行星際進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1日地空間環(huán)境示意圖

日地空間環(huán)境的范圍極其廣泛，需要測(cè)量的參量多種多樣(包括密度、溫度、速度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、宇宙線通量、不規(guī)則體等等)，各類參量變化幅度的跨度也非常大(比如，從中高層大氣到行星際空間，密度變化超過(guò)20 個(gè)量級(jí))。因此地基探測(cè)設(shè)備的種類非常多。根據(jù)工作原理和探測(cè)對(duì)象，大致可將它們歸類為地磁(電)設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和無(wú)線電設(shè)備。

地磁(電)設(shè)備又可分為地磁場(chǎng)設(shè)備、地電場(chǎng)設(shè)備和大氣電場(chǎng)設(shè)備。它們的工作原理、探測(cè)參量不盡相同，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是探測(cè)的空間范圍局限在一個(gè)點(diǎn)，即就位探測(cè)，而非遙感探測(cè)。例如，質(zhì)子磁力儀利用質(zhì)子在磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)效應(yīng)測(cè)量?jī)x器所在位置的磁場(chǎng)總強(qiáng)度，大氣電場(chǎng)儀利用金屬板在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理測(cè)量垂直地面的電場(chǎng)。雖然這類測(cè)量是局地的，但數(shù)據(jù)的特征和變化都可與大范圍的空間環(huán)境變化建立聯(lián)系。磁場(chǎng)的短時(shí)變化來(lái)源于空間電流體系的變化，大氣電場(chǎng)與電離層電勢(shì)和大氣電導(dǎo)率分布相關(guān)等。

圖2質(zhì)子磁力儀測(cè)量原理

光學(xué)探測(cè)設(shè)備在空間環(huán)境探測(cè)中也起著重要作用。它們可以分為主動(dòng)光學(xué)設(shè)備和被動(dòng)光學(xué)設(shè)備。主動(dòng)光學(xué)設(shè)備如激光雷達(dá)，通過(guò)主動(dòng)向空間發(fā)射激光束，利用望遠(yuǎn)鏡接收不同高度的反射和散射光，從而計(jì)算大氣的密度、溫度、風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)。被動(dòng)光學(xué)設(shè)備則接收來(lái)自探測(cè)對(duì)象本身的輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的。在太陽(yáng)光學(xué)觀測(cè)方面，人們發(fā)展了多種太陽(yáng)光學(xué)設(shè)備，針對(duì)特定的譜線，通過(guò)濾波、偏振、多普勒頻移、塞曼效應(yīng)等原理和方法，可以獲取太陽(yáng)的單色像、磁場(chǎng)、速度場(chǎng)等信息。另一個(gè)適用被動(dòng)光學(xué)探測(cè)的領(lǐng)域是中高層大氣。通過(guò)對(duì)氣輝、極光等大氣輻射進(jìn)行成像、多普勒測(cè)量，可以獲取大氣波動(dòng)、風(fēng)場(chǎng)等信息。例如，利用法布里-博羅干涉儀測(cè)量氣輝的多普勒效應(yīng)，通過(guò)獲得的干涉圓環(huán)反演大氣運(yùn)動(dòng)的速度和溫度，如圖3 所示。這些光學(xué)探測(cè)設(shè)備在空間環(huán)境探測(cè)中發(fā)揮著重要作用，為研究和掌握空間環(huán)境變化的規(guī)律提供了重要數(shù)據(jù)和信息。

圖3光學(xué)干涉測(cè)量原理

由于等離子體對(duì)電磁波傳播產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，無(wú)線電設(shè)備的主要探測(cè)對(duì)象是富含等離子體的電離層。光學(xué)設(shè)備主要探測(cè)空間的中性成分，而無(wú)線電設(shè)備主要探測(cè)空間中的帶電粒子(等離子體)。與光學(xué)設(shè)備類似，無(wú)線電設(shè)備也可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類。主動(dòng)無(wú)線電設(shè)備具有發(fā)射和接收裝置，通常體積和功率較大；而被動(dòng)無(wú)線電設(shè)備只具備接收裝置。電離層作為一種電磁波傳播介質(zhì)，其對(duì)電波的折射和吸收取決于電子密度、電波的波長(zhǎng)以及電波的入射角。當(dāng)電子密度足夠高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電磁波無(wú)法繼續(xù)傳播，發(fā)生全反射現(xiàn)象。電離層測(cè)高儀利用不同頻率的電磁波在不同高度(對(duì)應(yīng)不同的電子密度)被反射的原理，可以測(cè)量電離層電子密度隨高度的分布。

圖4電離層測(cè)高儀的測(cè)量原理

在電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的邊緣，電磁波會(huì)發(fā)生散射增強(qiáng)現(xiàn)象。如果不規(guī)則結(jié)構(gòu)的尺寸大致為電磁波波長(zhǎng)的一半，那么前后邊緣散射的電磁波會(huì)相互疊加，形成相干散射現(xiàn)象。相干散射雷達(dá)可以利用這一現(xiàn)象來(lái)測(cè)量不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分布以及它們的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。與相干散射不同，由大量電子獨(dú)立散射引起的回波是不相干的，被稱為非相干散射。非相干散射的回波信號(hào)非常微弱，但可以被用來(lái)獲取電離層的電子密度、電子溫度、離子溫度、離子速度等非常豐富的信息，并且可以達(dá)到很高的時(shí)空分辨率。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)投入大量經(jīng)費(fèi)建設(shè)超大功率、超大口徑的非相干散射雷達(dá)，以開展電離層探測(cè)。這些雷達(dá)可以提供關(guān)于電離層結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的詳細(xì)信息，對(duì)于理解電離層的特性以及對(duì)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的影響具有重要意義。

圖5相干散射與非相干散射

對(duì)于可以穿透電離層的電磁波，如GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，其傳播時(shí)間受到介質(zhì)折射率的影響，即電波傳播會(huì)被介質(zhì)延遲。這種延遲與電磁波頻率相關(guān)。通過(guò)被動(dòng)接收來(lái)自GNSS衛(wèi)星的兩個(gè)頻率信號(hào)，可以解算出傳播路徑上的總電子含量(TEC)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層的穿透式探測(cè)。類似地，穿透式探測(cè)也可用于行星際空間和太陽(yáng)風(fēng)。所有的天體都是電磁輻射體。遠(yuǎn)距離天體發(fā)射的電磁波在穿過(guò)太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地面的過(guò)程中受到太陽(yáng)風(fēng)的擾動(dòng)，引起接收信號(hào)的閃爍，即行星際閃爍。利用行星際閃爍測(cè)量結(jié)合一定的模型假設(shè)，可以推測(cè)太陽(yáng)風(fēng)的速度、密度等參數(shù)。

來(lái)自天體的在無(wú)線電(極低頻波到毫米波)頻率范圍內(nèi)的電磁波，習(xí)慣于被稱為射電波。因此，相關(guān)的探測(cè)方式也稱為射電探測(cè)。通過(guò)射電探測(cè)，可以對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行特定波段的成像，或?qū)μ囟úǘ蔚妮椛淞髁窟M(jìn)行測(cè)量。只有特定頻率范圍的電磁波才能穿透地球大氣層和電離層，地基射電探測(cè)就是利用了這些穿透窗口。通過(guò)這些探測(cè)方法，可以獲取關(guān)于太陽(yáng)、太陽(yáng)風(fēng)以及遠(yuǎn)距離天體的重要信息，有助于深入理解宇宙空間的特性和動(dòng)態(tài)。

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子午工程一期

我國(guó)的空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了從零星觀測(cè)到綜合集同的發(fā)展途徑。子午工程是我國(guó)空間科學(xué)領(lǐng)域的首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，旨在建設(shè)一個(gè)綜合性的地基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)空間物理科學(xué)家早在1993 年就提出了子午工程的科學(xué)構(gòu)想，經(jīng)過(guò)幾代人的努力，子午工程最終從構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。1997 年國(guó)家科技教育領(lǐng)導(dǎo)小組確定子午工程為國(guó)家重大科學(xué)工程。2005 年國(guó)家發(fā)改委批復(fù)了東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈項(xiàng)目建議書，子午工程正式立項(xiàng)。2006 年國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)子午工程可行性研究報(bào)告，并明確采取分步走的發(fā)展戰(zhàn)略。2008 年，子午工程一期開工建設(shè)；2012年，子午工程一期通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。

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(tái)站的聯(lián)合探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行掃描觀測(cè)，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(gè)觀測(cè)臺(tái)站，共建設(shè)了87 臺(tái)不同類型的監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用地磁(電)、無(wú)線電、光學(xué)等手段，可連續(xù)監(jiān)測(cè)地球表面20 km 到幾百千米高度的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個(gè)地球半徑以外的行星際空間。

子午工程一期運(yùn)行至今已經(jīng)歷了一個(gè)太陽(yáng)周(11 年)，為提升我國(guó)空間環(huán)境研究和應(yīng)用水平作出了重要貢獻(xiàn)。在研究方面，子午工程取得了一系列突破，主要集中在對(duì)我國(guó)空間環(huán)境區(qū)域特征的研究、空間天氣擾動(dòng)的傳播規(guī)律以及不同空間圈層之間的物質(zhì)和能量耦合等方面。例如，子午工程的電離層監(jiān)測(cè)設(shè)備探測(cè)到了地震期間的電離層波動(dòng)，研究結(jié)果展示了巖石圈-大氣-電離層之間的耦合關(guān)系，以及大氣和電離層波動(dòng)的傳播過(guò)程。在應(yīng)用方面，子午工程一期為我國(guó)重要的空間環(huán)境預(yù)報(bào)保障單位(國(guó)家氣象局空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心、中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境預(yù)報(bào)研究中心等)提供了自主數(shù)據(jù)，大幅提升了我國(guó)空間環(huán)境保障的自主性。例如，利用子午工程一期數(shù)據(jù)開發(fā)了我國(guó)區(qū)域電離層閃爍指數(shù)模型、區(qū)域三維電子密度同化模型、地磁的Kp 和Dst 等指數(shù)現(xiàn)報(bào)模型，應(yīng)用于載人航天、深空探測(cè)等多項(xiàng)國(guó)家重大任務(wù)的保障中，為我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

圖6基于子午工程數(shù)據(jù)和模式開展空間站在軌運(yùn)行保障

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子午工程二期

子午工程一期從無(wú)到有建立了我國(guó)自主的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)鏈，然而也存在局限性：(1) 監(jiān)測(cè)范圍主要集中于我國(guó)東部的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)西部地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力不足，特別是西北部還是空白；(2) 觀測(cè)站點(diǎn)之間的間距普遍大于500 km，難以勝任中小尺度物理過(guò)程的監(jiān)測(cè)和研究；(3) 覆蓋的圈層局限于地球空間，缺少對(duì)空間天氣源頭太陽(yáng)以及行星際空間的監(jiān)測(cè)能力；(4) 大多采用常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，單機(jī)探測(cè)能力有限。在開展原創(chuàng)性的科學(xué)研究和滿足國(guó)家重大需求方面還有差距。因此，空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)(子午工程二期)應(yīng)運(yùn)而生。2018 年子午工程二期作為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施獲得國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，并于2019 年開工建設(shè)。目前，工程已經(jīng)完成工藝驗(yàn)收，預(yù)期于2024 年完成國(guó)家驗(yàn)收。之后子午工程一期和二期將形成完整的子午工程空間環(huán)境監(jiān)測(cè)體系開始運(yùn)行。

子午工程的科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)從太陽(yáng)大氣到近地空間全鏈條、全國(guó)覆蓋、高時(shí)空分辨的多圈層多參量監(jiān)測(cè)，探索空間天氣事件的傳播、演化和對(duì)我國(guó)空間環(huán)境影響的路徑和規(guī)律；揭示我國(guó)不同區(qū)域上空的空間環(huán)境的變化特征和差異，以及青藏高原和南海等特殊區(qū)域空間環(huán)境變化的精細(xì)過(guò)程；研究我國(guó)特殊地質(zhì)和地理?xiàng)l件下，固體地球、低層大氣和近地空間環(huán)境的耦合過(guò)程。

為滿足全國(guó)范圍覆蓋、全圈層覆蓋、立體式探測(cè)的需求，子午工程二期在一期基礎(chǔ)上新增了16 個(gè)臺(tái)站，并提高一期臺(tái)站的綜合探測(cè)能力，形成沿東經(jīng)100°、120°、北緯40°、30°兩縱兩橫式布局的31 個(gè)臺(tái)站、282臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖7子午工程(含一期、二期)觀測(cè)臺(tái)站布局

子午工程由空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，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(jìn)的太陽(yáng)-行星際監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成對(duì)日地空間全鏈條的監(jiān)測(cè)能力( “一鏈”)；采用地磁、無(wú)線電、光學(xué)等手段，對(duì)我國(guó)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(cè)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(gè)重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)國(guó)際先進(jìn)的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展對(duì)空間環(huán)境的精細(xì)“顯微”探測(cè)( “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(shí)現(xiàn)對(duì)日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測(cè)。子午工程的總體監(jiān)測(cè)架構(gòu)如圖8所示。

圖8子午工程監(jiān)測(cè)架構(gòu)(一鏈、三網(wǎng)、四聚焦)

● “一鏈”——太陽(yáng)-行星際監(jiān)測(cè)鏈

太陽(yáng)作為日地空間環(huán)境擾動(dòng)的源頭，對(duì)太陽(yáng)以及行星際空間的觀測(cè)對(duì)理解太陽(yáng)爆發(fā)的物質(zhì)和能量傳輸規(guī)律至關(guān)重要。

基于太陽(yáng)輻射頻率隨日心距下降的原理，太陽(yáng)-行星際監(jiān)測(cè)鏈采用光學(xué)、射電、IPS 等多種手段遞次接力、互相銜接的方式，形成了對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)從太陽(yáng)表面到近地空間全過(guò)程進(jìn)行追蹤的能力。這種全鏈條的監(jiān)測(cè)能力有助于我們更全面地理解太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響，從而提高對(duì)空間天氣的預(yù)測(cè)和預(yù)警能力。

● “三網(wǎng)”——地磁監(jiān)測(cè)網(wǎng)、電離層監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及中高層大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)

我國(guó)地域廣闊，地磁、電離層、中高層大氣等地球空間環(huán)境在我國(guó)境內(nèi)表現(xiàn)出豐富的變化特性和地域特色。為了更好地了解我國(guó)空間環(huán)境的背景分布特征、空間天氣事件的擾動(dòng)傳播特性，以及由于地形和地理?xiàng)l件造成的空間環(huán)境的區(qū)域特殊性，子午工程采用“兩縱兩橫”式布局監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)成了覆蓋地磁、電離層和中高層大氣的監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)。

● “四聚焦”——對(duì)關(guān)鍵區(qū)域、特色區(qū)域開展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)

極區(qū)高緯地區(qū)：地球的極區(qū)由于磁場(chǎng)的特殊構(gòu)型，形成了太陽(yáng)風(fēng)直接進(jìn)入磁層的天然窗口，是空間天氣、空間物理研究的理想場(chǎng)所。子午工程二期充分利用我國(guó)在南北極區(qū)的科學(xué)站點(diǎn)資源，針對(duì)電離層、中高層大氣、極光、地磁與波動(dòng)配置監(jiān)測(cè)設(shè)備。極區(qū)的擾動(dòng)可以沿子午線向低緯地區(qū)傳播，對(duì)中低緯地區(qū)空間環(huán)境造成重要的影響。

北方中緯地區(qū)：我國(guó)地處中低緯地區(qū)，來(lái)源于北極地區(qū)的空間天氣擾動(dòng)往往是經(jīng)過(guò)俄羅斯和蒙古國(guó)廣袤地區(qū)，再傳播到我國(guó)境內(nèi)。對(duì)空間天氣擾動(dòng)從極區(qū)到中低緯地區(qū)傳播的整個(gè)路徑進(jìn)行監(jiān)測(cè)不僅可以完整地描繪擾動(dòng)傳播的規(guī)律，研究空間環(huán)境南北耦合機(jī)制，對(duì)空間天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警也十分重要。子午工程二期在該區(qū)域布局三個(gè)臺(tái)站組成的高頻雷達(dá)陣列，開展對(duì)電離層大范圍的掃描探測(cè)，形成對(duì)我國(guó)空間環(huán)境上游區(qū)域大縱深的遙感探測(cè)能力，同時(shí)構(gòu)成極區(qū)監(jiān)測(cè)與國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)之間的“橋梁”，形成高、中、低緯有機(jī)銜接的完整監(jiān)測(cè)體系。

青藏高原地區(qū)：青藏高原作為地球的“第三極”，具有獨(dú)特的地理環(huán)境和復(fù)雜的大氣擾動(dòng)，是巖石圈-大氣層-電離層垂直耦合研究的熱點(diǎn)區(qū)域。子午工程二期聚焦“巖石圈/低層大氣層-中高層大氣垂直耦合”過(guò)程，對(duì)“第三極”中高層大氣開展綜合觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)自地表到低熱層高度范圍大氣溫度、風(fēng)場(chǎng)、密度、金屬層，以及低層大氣多要素的高時(shí)空分辨的“全高度覆蓋”的“顯微”觀測(cè)。

海南(南方)低緯地區(qū)：我國(guó)南部海南島地處電離層赤道異常區(qū)，電離層活動(dòng)異常頻繁，是觀測(cè)研究地球低緯電離層環(huán)境的理想?yún)^(qū)域。同時(shí)，電離層擾動(dòng)嚴(yán)重影響我國(guó)南海地區(qū)的短波通信。我國(guó)對(duì)南海地區(qū)的空間天氣保障需求極為迫切。子午工程二期在該區(qū)域建立國(guó)際上先進(jìn)的大型無(wú)線電和光學(xué)觀測(cè)設(shè)備，綜合探測(cè)我國(guó)海南島周邊及南海上空80 km到上千千米的中高層大氣、電離層和內(nèi)磁層的空間環(huán)境精細(xì)結(jié)構(gòu)。

子午工程的最大特點(diǎn)是其完整的日地空間綜合體系，使其具備對(duì)日地空間進(jìn)行端對(duì)端的整體探測(cè)研究能力。子午工程二期新增了一系列探測(cè)能力國(guó)際領(lǐng)先的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，將在空間物理和空間天氣基本物理問(wèn)題的深入研究方面發(fā)揮重要作用，其中包括全球最大的綜合孔徑太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡——圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡(建設(shè)于四川稻城)，以及全球首個(gè)低緯地區(qū)三站式非相干散射雷達(dá)和首次實(shí)現(xiàn)1000 km 高度大氣探測(cè)的激光雷達(dá)(建設(shè)于海南)。這些子午工程二期標(biāo)志性設(shè)備將引領(lǐng)國(guó)際空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)。

另外，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)高效運(yùn)行和多學(xué)科綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成融合，促進(jìn)重大科研應(yīng)用成果的產(chǎn)出，子午工程二期還建設(shè)了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯集、加工和分發(fā)服務(wù)；同時(shí)還建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，以完成科學(xué)運(yùn)行管理、研究與建模支撐、預(yù)報(bào)方法研究以及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交叉應(yīng)用示范等任務(wù)。這兩個(gè)系統(tǒng)的主體設(shè)施均部署于北京懷柔的子午工程綜合信息與運(yùn)控中心。

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國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃

以子午工程為基礎(chǔ)，我國(guó)科學(xué)家立足國(guó)內(nèi)，胸懷全球，提出和推動(dòng)國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃(IMCP)。該計(jì)劃將聯(lián)合跨越東經(jīng)120°、西經(jīng)60°子午圈沿線的十余個(gè)國(guó)家或地區(qū)的千余臺(tái)儀器形成全球分布式地基探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，與天基探測(cè)衛(wèi)星相結(jié)合，研究空間天氣的全球特征和傳播規(guī)律，以及與全球變化的相互影響，為應(yīng)對(duì)地球?yàn)?zāi)害和國(guó)家空間安全決策提供科學(xué)依據(jù)，為建設(shè)宜居地球和實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)力量。

空間天氣是全球性問(wèn)題，需要全球化的解決方案，需要全球合力參與。子午工程一期對(duì)能量如何從高緯(地球磁層外部)擴(kuò)散到低緯(磁層內(nèi)部)的研究，跨出了全球性空間天氣研究的第一步。子午工程二期可以實(shí)現(xiàn)空間天氣觀測(cè)從太陽(yáng)到地球的全過(guò)程，完成了全球性空間天氣研究的第二步。這一系列工作為國(guó)際子午圈計(jì)劃提供了寶貴的研究成果和技術(shù)支持，為全球空間天氣研究和國(guó)際合作作出了重要貢獻(xiàn)。

國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃是全球性空間天氣監(jiān)測(cè)研究的第三步。其全球地基分布網(wǎng)絡(luò)可以把地球空間變?yōu)槲锢硇畔⒌娜S網(wǎng)格，借助地球自轉(zhuǎn)，每12 個(gè)小時(shí)生成一張地球空間環(huán)境的“核磁共振圖像”。科學(xué)衛(wèi)星穿行其間，在關(guān)鍵格點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)診斷。同時(shí)，數(shù)千臺(tái)不同種類的儀器設(shè)備相互定標(biāo)，將全網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量絕對(duì)基準(zhǔn)維持在一個(gè)穩(wěn)定精準(zhǔn)的基線上，不斷完善地球環(huán)境監(jiān)測(cè)能力指標(biāo)。例如，地球磁場(chǎng)現(xiàn)在以每百年10%的速率衰減，導(dǎo)致太陽(yáng)能量粒子和宇宙射線對(duì)地球大氣的作用大幅增強(qiáng)。這一變化是否影響氣候及其他環(huán)境因素，需要國(guó)際子午圈計(jì)劃這樣長(zhǎng)期、穩(wěn)定和綜合的全球性觀測(cè)來(lái)判別。

圖9國(guó)際子午圈計(jì)劃示意圖

國(guó)際子午圈計(jì)劃自從提出以來(lái)得到了國(guó)際熱烈響應(yīng)，數(shù)百位國(guó)際科學(xué)家參與規(guī)劃。來(lái)自中國(guó)、巴西、俄羅斯、泰國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)的30 多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，以及國(guó)際組織積極支持和參與。作為先行先試，從2014 年開始，中國(guó)科學(xué)院與巴西國(guó)家空間研究院(INPE)共建中巴空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過(guò)兩期建設(shè)，在10 個(gè)臺(tái)站部署了包括激光雷達(dá)、GNSS電離層TEC 與閃爍監(jiān)測(cè)儀、大氣電場(chǎng)儀、全天空氣輝成像儀、磁通門磁力儀等在內(nèi)的16 臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并且完成了南美數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。此外，東南亞、北極高緯監(jiān)測(cè)網(wǎng)也在穩(wěn)步推進(jìn)中。這一系列工作將為全球空間天氣研究和國(guó)際合作提供重要支持，提供了開展大規(guī)模國(guó)際合作的經(jīng)驗(yàn)。

圖10 中巴實(shí)驗(yàn)室臺(tái)站分布圖

(圖中紅色臺(tái)站為運(yùn)行臺(tái)站，綠色臺(tái)站為計(jì)劃臺(tái)站)

國(guó)際子午圈計(jì)劃得到了北京市以及科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委等國(guó)家部委的培育項(xiàng)目支持。2023 年9 月國(guó)際子午圈總部大樓在北京懷柔科學(xué)城正式啟用。與此同時(shí)，國(guó)際子午圈第一屆科學(xué)委員會(huì)會(huì)議、2023 國(guó)際研討會(huì)和空間天氣培訓(xùn)班成功舉辦，這些活動(dòng)為國(guó)際子午圈計(jì)劃的發(fā)展和合作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖11國(guó)際子午圈總部大樓掠影

圖12 2023國(guó)際子午圈研討會(huì)暨“一帶一路”空間天氣培訓(xùn)班9月14日在北京開幕，全球10余個(gè)國(guó)家的100多位空間物理科學(xué)家齊聚懷柔科學(xué)城

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結(jié)語(yǔ)

地基監(jiān)測(cè)是天地一體化空間環(huán)境監(jiān)測(cè)體系中的重要組成部分和基礎(chǔ)。相比國(guó)際上其他監(jiān)測(cè)要素和手段較為單一的地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(如地磁監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)MAGDAS、超級(jí)雙重極光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)SuperDARN、國(guó)際地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)機(jī)構(gòu)IGS等)，子午工程監(jiān)測(cè)手段最綜合、監(jiān)測(cè)要素最齊全、覆蓋日地空間圈層最完整、集同運(yùn)行能力最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了空間天氣鏈鎖變化過(guò)程端對(duì)端的整體監(jiān)測(cè)，將對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)-日地傳輸-對(duì)地影響的全過(guò)程研究產(chǎn)生重大影響。

子午工程一期的成功建設(shè)和運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)的綜合性能力取得重大發(fā)展，全球空間環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的重心開始向我國(guó)轉(zhuǎn)移。子午工程二期的建成將完成這個(gè)重心的轉(zhuǎn)移，我國(guó)將實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境從認(rèn)知能力向認(rèn)知與保障能力的提升，逐步成為全球空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)研究最重要的數(shù)據(jù)來(lái)源、最活躍的人才高地、最豐碩的成果策源地。正在推進(jìn)的國(guó)際子午圈計(jì)劃，將使我國(guó)借勢(shì)形成全球輻射能力，使得我國(guó)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)研究能力實(shí)現(xiàn)從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的超越。

致謝：本項(xiàng)研究受到國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項(xiàng)目支持。

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2024年4期YWA編輯

來(lái)源：《現(xiàn)代物理知識(shí)雜志》

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