60周年特辑 | 子午工程:空间科学国之重器 

2019年9月9日08:44:3760周年特辑 | 子午工程:空间科学国之重器 已关闭评论 11 views

2012年10月23日,我国空间科学领域首个国家重大科技基础设施项目——东半球空间环境地基综合监测子午链(简称子午工程),在北京通过国家验收。

“子午工程是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,达到世界领先水平。”验收专家的高度评价,标志着历时4年多工程建设、完成投资逾1.6亿元人民币的这项国家大科学工程进入正式科学运行阶段,让现场不 少“子午人”热泪盈眶。

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探空火箭

三维监测全球空间环境

空间,是除陆地、海洋、大气之外人类面临的第四环境,也是世界主要国家竞争的重要战略制高点。在现代科技广泛运用的今天,空间环境的变化深刻影响着人类生活。在地球表面20公里至30公里以上的中高层大气、电离层、磁层、行星际空间和太阳大气所构成的空间中,经常发生磁暴、太阳风等空间灾害性事件,就像天气变化中的狂风暴雨一样,不但会造成通讯中断,还会危及航行安全。

人们不会忘记,在1989年的“魁北克事件”中,太阳活动所导致的感应电流致使变电站被烧毁,600多万人在寒冷和黑暗中度过了9个多小时,造成几千万美元的损失;2003年10月,SOHO等重要科学研究卫星的探测仪器损坏,数据丢失……这些都是太阳活动“惹的祸”。

因此,美国科学家曾预言,人类未来面临的最大自然灾害之一可能就是太阳风暴引起的电网崩溃。

太阳活动如何影响日地空间环境?如何减少灾害性空间天气对人类的影响?这是人类迫切需要了解的问题。

国际社会高度重视灾害性空间天气及其影响,着力开展空间天气的探测和研究。地基探测具有探测方法完备、高稳定性和高可靠性等优点,成为国际上空间天气探测的热点和发展趋势。

比如,美国在近20年建立了立体空间环境监测体系,在地基观测上也部署了南美地磁场子午线监测链(SAMBA)、中大陆地磁场监测链(MCMAC)、太阳光学监测网络(ISOON)等;加拿大地球空间监测系统(CGSM)形成了对北半球高纬和极区的空间环境地基监测网;日本的MagDAS 计划则是世界上规模最大、跨度最长、站点最多的地磁监测链;俄罗斯先后发射了一系列空间环境探测卫星,获取太阳、行星际空间、磁层、电离层等日地空间环境监测信息,同时建立了发达的地基台站。

在空间科学领域,中国仍是新兴国家。为发展空间科学,提高我国对空间天气的认知能力,结合我国地域特性和国际发展趋势,我国科学家创造性地提出,沿我国东经120度和北纬30度建设两条地基观测链,这就是备受国内外关注的东半球空间环境地基综合监测子午链项目(简称子午工程)。

“其目的是了解我国上空这种局域性的空间环境变化规律,及其与地球系统全球性变化间的关系,更有效地应对空间天气灾害。”担任子午工程科技委主任的中国科学院院士魏奉思表示。

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子午工程数据中心

子午工程缘起

提起子午工程,则要从25年前说起。1993年,我国著名空间物理学家魏奉思在负责起草《中国空间物理发展战略规划建议书》时,率先提出了建立空间环境监测子午链的科学构想。

彼时,对于这一设想的提出,出现了两种不同的声音。一部分人赞同这样的设想,还有一部分人则认为这个设想是天方夜谭,根本不可能实现。面对分歧,魏奉思始终认为,搞研究,不应该仅仅局限于在某个领域里面申请点基金,搞点项目,发点文章,而是要谋求学科发展,抓发展战略,“科学家应该有梦想,如果连梦都不敢做,那就成不了大事。”魏奉思坚定地说。

随后,魏奉思了解到中国科学院正在向国家科技委报送重大科学工程计划,于是他建议把“东半球空间环境子午圈监测链”项目报上去。在时任中国科学院国家空间科学中心所长姜景山等领导的支持下,我国五部委11家单位的科技专家们于1994年初起草了《子午工程建议书》,并作为附件随同《中国空间物理发展战略规划》报送国家科学技术委员会(今科学技术部)。

经过严格选拔,1997年6月,国家科技教育领导小组确定子午工程为国家重大科学工程。又历经多年的筹 划、准备和推进,2008年1月“子午工程”正式开工建设。

子午工程由中科院牵头,联合教育部、工业和信息化部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等七部委所属的十二家法人单位共同建设并运行。作为子午工程项目法人,中科院国家空间科学中心总体负责子午工程建设和运行管理工作,中国科学技术大学、中科院地质与地球物理研究所、北京大学、中国电子科技集团第二十二研究所、中国气象局国家空间天气监测预警中心、中科院大气物理研究所、中国极地研究中心、武汉大学、中国人民解放军总参气象水文空间天气总站参与,几乎凝聚了我国空间天气和空间物理学界的所有科研工 作者的力量。

7个部委,12家参与单位,15个监测站,87台无线电、地磁、光学、 宇宙线、火箭等观测设备,以及研究中高层大气、电离层、磁层、行星际等不同圈层的科学家。

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海南峨蔓站

将所有这些都聚集到一个国家重大科技基础设施项目之中,在很多人看来,如何汇集、组织各科研领域、研究方向的科学智慧是一大难题。

确实,参加子午工程的12家单位管理机制各异,参与监测研究所涉及不同学科,整个项目的调度与管理错综复杂,空间中心作为项目牵头单位,要组织好这些没有行政隶属关系的单位开展工作,无疑是一个巨大的挑战。

在迎接挑战的同时,科学家们更多看到的是实现科学突破的机遇。“子午工程很大的特点就是它是一个多参数的综合观测体系,多参数耦合、综合地解决科学问题,是子午的科学目标之一。”空间中心主任王赤表示。

空间不是一个孤立的系统,上面受到太阳活动、电磁层的扰动,下面受到火山、地震、海啸等地球活动的影响。与空间大气的分层一样,研究空间大气的科学家也聚集在各自的“层”。

“单个设备、单台仪器、单个现象的科学研究已经走到了尽头,如果大家不‘交叉’,还是单打独斗,就不需要子午工程了。”王赤说,“培养科研人员多学科交叉的视野,也是子午工程以后能够取得重大科学突破的土壤之一。”

事实上,子午工程从建设初期开始便在不断呼吁学科、领域间的交叉 与交流,并从制度上加强建设。

中科院专门成立了由副院长担任组长的子午工程项目建设领导小组。同时,空间中心成立了项目建设工程经理部,由时任空间中心主任吴季担任总经理,副主任王赤担任项目总工程师。有了领导的全力支持和完善的组织保障,建设团队信心十足。

在深入调研的基础上,针对多单位联合工作的复杂性,项目建设团队创造性地提出了“技术业务依系统,运行管理按单位”的矩阵式管理模式,从而有效避免了技术和管理之间相互牵制的情况,极大地提高了管理效率。

为了使近400人的“大家庭”更有凝聚力,项目建设团队在“家规”上下了大功夫。经过广泛细致的调研,项目办公室编写了《子午工程实施及管理计划》。这份3 万多字的“家规”,覆盖了组织机构、工程计划、管理要点和技术规范等多方面内容,形成了一套12家单位都能共同遵守的规范,使子午工程有了统一的“语言”。

巧妙构建“空间长城”

科学家们赋予子午工程的使命主要是探索日地空间第二大挑战性问 题: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?

具体而言,子午工程的科学目标是了解灾害性空间天气的变化规律;研究我国空间环境的区域性特征及其和全球特征的关系;与卫星观测相结合,建立空间天气因果链模式,探索完善综合性的空间天气预报方法。

实际上,我国空间环境的地基监测历史悠久,但是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。

如今,为了实现这一全新的科学目标,科学家们可谓煞费苦心。结合空间环境的特征,他们巧妙地构建起子午链:沿东经120°子午线附近,利用北起漠河、经北京、武汉,南至海南并延伸到南极中山站,以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近现有的15个监测台站,建成一个以链为主、链网结合的,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段,对近地空间环境进行全面连续监测。

简单来说,就是在中国境内搭起了一座长约3000公里,高达几百公里的“空间长城”,科学家可将地球表面、中高层大气、电离层、磁层,乃至十几个地球半径以外的行星际空间环境一次性“尽收眼底”。

子午工程由空间环境监测系统、数据与通信系统和研究与预报系统组成。其中,空间环境监测系统是子午工程获取数据的来源,可谓子午工程的“躯干”;数据与通信系统、研究与预报系统则分别是子午工程的“心脏”和“大脑”,三大系统相辅相成,协同工作。

与此同时,子午工程的15个观测台共部署了87台监测设备,包括地磁设备、地电设备、光学设备、无线电波设备等。这些设备就像长城上的瞭望台,相互配合,对不同维度进行链条式观测。

除了测量地磁场、地电场和大气电场的设备外,子午工程部署的其余监测设备均采用遥感探测方式实现对高空物理参量的测量,从而使子午工程的探测范围大大拓展,从20~110千米高度的中高层大气、60~1000千米高度的电离层,扩展至7万千米高度以上的行星际空间。

与中国广阔的领土相比,15个观测台、87台监测设备显然微不足道。然而它却以其之“小”,窥见地球空间环境之“大”,实现了对空间环境的360度全景观测。

2010年6月3日,“子午工程”气象火箭在海南探空火箭发射场成功发射,并首次采用GPS技术获得了我国低纬度地区20~60公里高度的高精度大气温、压力和风场的探测参数。

2011年5月7日,“子午工程”探空火箭成功发射,成功进行了中国低纬地区电离层的探测和中高层大气的探测,试验搭载的“鲲鹏一号”探空仪,包括双臂探针式电场仪、大气微量成分探测仪、朗缪尔探针三个科学探测有效载荷,获取了200 公里以下中高层大气微量成分、电离层电场、电子浓度、离子密度等空间环境参数的原位探测数据。

4年多的艰苦卓绝的努力,终于收获了累累硕果。2012年10月,子午工程最终通过国家验收。但是,子午工程团队并不轻松,因为他们还面临着更多前所未有的挑战。

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海南VHF 天线阵

子午在行动

建立至今,子午工程已运行5年多,产生了大量的监测数据。这些数据从各观测台站汇集到子午工程数据中心,再进行标准化处理后成为更高级的科学数据,供全世界科学家使用。

这使得过去分散、单打独斗式的研究格局正悄然发生改变。我国科学家利用子午工程的数据,已经在空间环境圈耦合、扰动现象大尺度传播等重大科学问题上取得显著成就,多数研究成果都采用了多台站监测数据。这在子午工程建成之前是无法想象的。

当然,除了用于科学研究之外,子午工程的监测数据对促进我国空间天气预报事业的发展同样责无旁贷。为此,子午工程专门建立了空间天气民用预报服务平台和军用预报保障平台。

另外,科学家还利用子午工程的探测数据开展大量的预报模式研究工作,在子午工程中部署了多个空间天气模式。

值得注意的是,子午工程的成功建设还创造了我国空间科学技术领域的多项第一:建成了我国第一个以科学目标为导向的、分布式的网络化大科学装置;建成了我国第一台、亚洲最先进、探测能力达到国际顶级水准的非相干散射雷达;建成了我国第一台数字波束、可扫描式高频相干散射雷达;建成了国内首台全固态数字阵列脉冲多普勒体制的MST雷达。

子午工程为建立我国以自主观测为基础的近地空间环境地基综合监测网立下了汗马功劳。2014年,子午工程建设成果获得了中国地球物理科技进步奖(团体奖)一等奖。

作为目前国际上跨度最长、综合性最高的地基空间环境监测链,子午工程使我国在空间天气领域的知名度和国际影响力显著提升。美国著名期刊Space Weather 通过封面文章对子午工程进行了专题报道,并给予高度评价,认为子午工程是一个“雄心勃勃、影响深远、非常震撼的项目”。

国际空间科学界著名专家也对子午工程进行了高度评价。国际日地物理委员会主席、美国宇航局戈达德空间飞行中心资深科学家Nat Gopalswamy 认为,“来自空间天气子午工程各个观测台站的数据,令人印象非常深刻,你们实现了对大气各个分层情况的监测”。

然而空间科学的发展,任重道远。子午工程只是起步,要实现和平利用空间、使空间成为未来经济社会发展的重要增量这一目标,我们还有很长的路要走。

描绘地基探测新蓝图

实际上,子午工程一期部署的15个综合性监测台显然不足以“应付”中国广袤的国土,而且子午链上还有新疆、西藏等多个地区仍未被覆盖。随着空间天气预报水平的不断提升,对空间环境的精细结构的研究与监测有了迫切的需求。

捕小鱼,需要更密的网。为了更好地探测和研究空间环境,科学家们建议,将子午工程的监测台站间距从目前的500~600千米缩小到200~300千米, 同时在东经100度和北纬40度附近增加两条观测链,和一期的观测链共同形“井”字形的探测网,实现对我国国土区域的基本覆盖,提升捕捉小尺度空间天气现象能力,更加清晰地探测大尺度的现象。

经过多次研究论证,科学家们提出,子午工程二期的探测重点应在我国北方中纬度地区(空间天气扰动从极区向赤道传播的必经之路)、青藏高原地区(独特的地理环境产生独特的岩石圈—大气层—电离层耦合现象)、海南地区(低纬度电离层异常频发的区域)、南北两极地区(太阳风进入地球磁层的窗口,是空间天气扰动的重要源区)。

由于太阳是空间天气的源头,因此,子午工程二期还将增加对太阳的直接观测设备,主要是射电望远镜、光学望远镜等,从而将形成从太阳到行星际空间,到地球磁层,到电离层,直至中高层大气的全链条的观测能力。

子午工程二期一提出,很快就得到了国家战略规划部门的肯定。《国家重大基础设施建设中长期规划(2012~2030)》明确提出, 要“ 建成空间环境地基监测网,揭示空间环境的时间和空间变化规律,并逐步形成覆盖更多重要区域的空间环境监测、预警能力”。

2016年7月,在国家发改委组织的“十三五”国家重大科技基础设施专家推荐会上,子午工程二期获得一致推荐,成功入选《国家重大科技基础设施“十三五”规划》。

2018年1月,子午工程二期正式立项,一切正在按计划如火如荼地进行中。5月3日,空间中心与兰州大学举行签约仪式,双方将共建子午工程二期,工程预计将于2022年完成建设。“兰州地区是北纬40度和东经110度交汇节点,是子午工程的重点监测区域,建立国家子午工程将使兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)从当前的地面和低层大气观测,向中高层大气观测扩展,将大气科学研究延伸至空间科学。”王赤表示。

子午工程二期将重点布局西部区域建设日地空间环境监测站点,在东经100 、北纬40度建成横跨国土两横两纵的多种检测设备、多站点的网络监测系统,并且覆盖青藏高原,形成我国上空贯穿整个日地空间的多参数空间环境基本监测能力。

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探空火箭发射

子午走向世界

随着子午工程国际影响力的不断提升,中国“子午人”并没有局限于自己“圈”中,而是将目光放得更加长远。和中国一样,像美国、加拿大、日本等一些国家都有针对性地部署地球空间系统监测研究的大科学工程或科学计划。

但是,目前国际上地球空间系统监测尚未形成全球整体的监测体系,仍有区域性和单一性等局限。而要详细了解全球不同区域的空间环境,则需要在完整的子午圈上进行观测。

为此,我国的科学家创造性地提出,以子午工程为基础和核心,通过国际合作,开展“国际空间天气子午圈计划”(简称国际子午圈计划),即将中国的子午链向北延伸至俄罗斯,向南延伸到东南亚相关国家及澳大利亚等,将分布于西

经60 度附近的地面观测台站纳入联网观测,形成第一个也是唯一环绕地球一周的地基空间环境监测子午圈,实现日夜24小时、全球纬度的同时观测。

国际子午圈计划的巧妙在于,利用了东经120° / 西经60°子午圈是全球陆基观测台站最多的地理特征,以及许多基本的近地空间天气过程沿子午圈发生的物理本质。随着地球自转,对比两个经度相距180度位置上的空间环境变化,再结合空间卫星探测,使得全面了解空间天气全球结构的时空变化规律成为可能。

其实,国际空间天气子午圈计划构思由来已久。2002年,魏奉思就提出中国牵头做国际空间天气子午圈计划的计划。至今,该计划已酝酿了16年。直到2018 年3月国务院印发《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》,鼓励科学家以实现重大科学问题的原创性突破为目标,牵头组织大科学计划,推动世界科技创新与进步、应对人类社会面临的共同挑战。

此时,才真正迎来了实施国际子午圈计划的新机遇。“国际子午圈大科学计划的时机成熟了。这个计划要关注‘圈’上不同国家和地区共同关心的问题,解决人类共同面临的问题。”魏奉思说。

为了更好地实现科学目标,凝聚国际智慧,国际子午圈计划设计了“四大平台,一个组织”的组织思路,包括协同监测平台、科学研究平台、信息共享平台、人才培养平台和国际子午圈计划组织。

这就意味着,国际子午圈不仅强调联合子午圈上国家和地区发展多台站、链网式、多学科交叉的协同监测能力,还将建立国际子午圈信息共享和人才培养平台,促进地球空间系统全球行为及多圈层耦合研究,提高共同应对地球空间传统与非传统灾害的能力。

作为被众多国际同行机构和世界著名空间科学家赞誉的“中国杰出的创见”,国际子午圈计划一经提出就得到广泛认同,并得到了俄罗斯、澳大利亚、加拿大、美国、巴西等国家相关机构与科学家的积极响应。

2011年,国际子午圈计划正式列入联合国“国际空间天气倡议”。2012年8月,美国发布的《太阳与空间物理十年发展规划》将国际子午圈计划列为两个最重要的国际合作项目之一。

目前,国际空间天气子午圈计划(一期)已经开始建设。2014年8月,空间中心和巴西国家空间研究院(INPE)联合成立了“中国—巴西空间天气联合实验室”和“中国科学院南美空间天气实验室”,联合实验室将主要负责西半球子午链的联合观测和数据汇交,开展东、西半球近地空间环境的探测与研究。

在可以预见的未来,随着子午工程二期的建成和国际子午圈计划的顺利实施,有助于实现协调全球空间天气联测及共同研究,推动国际空间研究的发展,将为人类开启探索空间、利用空间的新篇章。

文章来源:《科学新闻》杂志

weinxin
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