在位于北京懷柔的子午工程綜合信息與運(yùn)控中心，科研人員在監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況。
新華社記者 金立旺攝 圖為子午工程二期大型監(jiān)測(cè)設(shè)備之行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡（無(wú)人機(jī)照片）。新華社記者 馬金瑞攝
沿東經(jīng)120度、西經(jīng)60度兩條經(jīng)線（子午線）構(gòu)建一個(gè)空間天氣“監(jiān)測(cè)圈”，對(duì)日地空間環(huán)境開(kāi)展全天候“三維掃描”——這一科學(xué)想象即將成為現(xiàn)實(shí)。
近日，科學(xué)界先行發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，助力應(yīng)對(duì)全球空間天氣災(zāi)害。為什么要發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃？該計(jì)劃的主要研究?jī)?nèi)容是什么？我國(guó)的子午工程將在該計(jì)劃中扮演怎樣的角色？帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專家。
“第四環(huán)境”研究需國(guó)際合作
太陽(yáng)和地球之間的日地空間，是人類航天活動(dòng)與空間開(kāi)發(fā)利用的主要區(qū)域，是與陸地、海洋、大氣并列的“第四環(huán)境”。在日地空間中，由太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)的、短時(shí)間尺度的劇烈環(huán)境變化，被稱為空間天氣。災(zāi)害性空間天氣事件會(huì)對(duì)衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航及電力系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。
“正因?yàn)榭臻g天氣是全球性現(xiàn)象，才需要在廣闊的宇宙空間和全球各地進(jìn)行大量觀測(cè)。而這樣的觀測(cè)，單靠一個(gè)國(guó)家的資源和力量是難以完成的，因此空間天氣的監(jiān)測(cè)與研究離不開(kāi)國(guó)際合作。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任王赤告訴記者，發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，就是為了聯(lián)合全球空間天氣監(jiān)測(cè)與研究力量，聚焦空間天氣的物理過(guò)程和變化規(guī)律等，開(kāi)展聯(lián)合科學(xué)攻關(guān)。
“由于具有連續(xù)、方便、可控、可信和成本低的優(yōu)勢(shì)，地基探測(cè)是開(kāi)展空間天氣監(jiān)測(cè)與研究的最行之有效的途徑，是地球空間環(huán)境探測(cè)不可或缺的重要部分。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將以地基探測(cè)為主。”王赤介紹，地基探測(cè)已經(jīng)歷了“站—鏈—區(qū)域網(wǎng)格”的發(fā)展歷程，正向著“全球網(wǎng)絡(luò)化”的方向發(fā)展。
為什么要選擇沿東經(jīng)120度—西經(jīng)60度子午圈建設(shè)觀測(cè)設(shè)施，它有什么特別之處？
王赤介紹，與其他經(jīng)線圈相比，東經(jīng)120度—西經(jīng)60度子午圈區(qū)域的陸地最完整，沿這條子午圈部署地基觀測(cè)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)全緯度覆蓋，形成一個(gè)閉合的地基“監(jiān)測(cè)圈”。
“隨著地球自轉(zhuǎn)，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的觀測(cè)設(shè)施可以對(duì)日地空間環(huán)境進(jìn)行‘三維掃描’，形成不間斷的多尺度立體成像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境全緯度、全天候的立體觀測(cè)。”王赤解釋道。
解碼空間天氣過(guò)程規(guī)律
那么，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的觀測(cè)設(shè)施所進(jìn)行的“三維掃描”，具體想看清什么？
“該計(jì)劃旨在構(gòu)建日地系統(tǒng)全球監(jiān)測(cè)鏈，解碼空間天氣過(guò)程與規(guī)律。簡(jiǎn)單來(lái)講，它的科學(xué)目標(biāo)是認(rèn)知一個(gè)系統(tǒng)、厘清兩類影響、破解三大難題。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員張清和解釋，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的主要研究對(duì)象是地球空間，“一個(gè)系統(tǒng)”即地球空間系統(tǒng)。
作為日地空間中與人類活動(dòng)關(guān)系最為密切的空間區(qū)域，地球空間是指從地表100公里以上到約10個(gè)地球半徑的區(qū)域，包括高層大氣、電離層和磁層。這一區(qū)域?qū)θ祟惢顒?dòng)至關(guān)重要，特別是航天飛行、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域高度依賴地球空間環(huán)境的穩(wěn)定性。國(guó)際子午圈多樣化的觀測(cè)手段和全球性布局，有望為地球空間系統(tǒng)研究帶來(lái)前所未有的突破。
“地球空間環(huán)境就像是太陽(yáng)和地球之間的一個(gè)‘夾心層’，同時(shí)受到來(lái)自天上和地上兩股力量的拉扯。”張清和說(shuō)，一方面，是“天上來(lái)的影響”，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈，比如發(fā)生大爆發(fā)時(shí)，它會(huì)向地球方向噴出大量物質(zhì)和能量，直接沖擊地球空間，引發(fā)破壞性空間天氣事件；另一方面，是“地上來(lái)的影響”，地球上的大地震、火山猛烈噴發(fā)、威力巨大的雷暴和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等活動(dòng)，會(huì)攪動(dòng)地球空間環(huán)境。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃要厘清這“兩類影響”。
此外，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃還要弄清“三大難題”。“這些難題分別是空間環(huán)境全球與典型區(qū)域的多要素多時(shí)空尺度特征、太陽(yáng)大氣爆發(fā)及其在日地空間的傳播和演化、空間天氣與全球氣候變化以及地球自然災(zāi)害的關(guān)系。”張清和說(shuō)。
子午工程提供核心基礎(chǔ)
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃如何實(shí)施？
“今年3月，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程二期正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。至此，我國(guó)建成了國(guó)際上綜合實(shí)力最強(qiáng)的空間天氣地基區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這是國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃實(shí)施的核心基礎(chǔ)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員徐寄遙說(shuō)。
目前，我國(guó)的子午工程沿東經(jīng)100度、120度以及北緯40度、30度這兩縱兩橫布局了31個(gè)臺(tái)站、282臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成對(duì)日地空間全圈層的立體式監(jiān)測(cè)能力。子午工程還自主研發(fā)了一批國(guó)際領(lǐng)先的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，在空間物理和空間天氣基本物理問(wèn)題的研究方面發(fā)揮重要作用。
同時(shí)，子午工程建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，還培養(yǎng)了一批人才隊(duì)伍。“比如，子午工程培育并匯聚了一支在空間物理與空間天氣領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、國(guó)際視野和國(guó)際合作能力的高水平研究團(tuán)隊(duì)，鍛造了一支專業(yè)技術(shù)過(guò)硬、勇于創(chuàng)新、具備國(guó)際水平的技術(shù)攻關(guān)隊(duì)伍，培養(yǎng)了一支具備大型綜合探測(cè)系統(tǒng)管理能力的專業(yè)化隊(duì)伍。”徐寄遙說(shuō)，這為國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的實(shí)施奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，這批人才有望發(fā)揮核心骨干作用。
“目前，已有36個(gè)國(guó)際組織和國(guó)外科研機(jī)構(gòu)與我方簽署了合作協(xié)議或確定了合作意向。”王赤介紹，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將至少執(zhí)行11年，搭建世界科學(xué)家廣泛參與和密切合作的平臺(tái)，完成一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期以上的日地空間環(huán)境探測(cè)和研究。
“全球性的布局、多樣化的觀測(cè)手段，憑借這些優(yōu)勢(shì)，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃有望助力人類空間天氣研究取得重大突破，為提升全球空間天氣災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力、共同開(kāi)發(fā)利用空間資源提供科學(xué)支撐。”王赤說(shuō)。
在位于北京懷柔的子午工程綜合信息與運(yùn)控中心，科研人員在監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況。
新華社記者 金立旺攝 圖為子午工程二期大型監(jiān)測(cè)設(shè)備之行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡（無(wú)人機(jī)照片）。新華社記者 馬金瑞攝
沿東經(jīng)120度、西經(jīng)60度兩條經(jīng)線（子午線）構(gòu)建一個(gè)空間天氣“監(jiān)測(cè)圈”，對(duì)日地空間環(huán)境開(kāi)展全天候“三維掃描”——這一科學(xué)想象即將成為現(xiàn)實(shí)。
近日，科學(xué)界先行發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，助力應(yīng)對(duì)全球空間天氣災(zāi)害。為什么要發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃？該計(jì)劃的主要研究?jī)?nèi)容是什么？我國(guó)的子午工程將在該計(jì)劃中扮演怎樣的角色？帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專家。
“第四環(huán)境”研究需國(guó)際合作
太陽(yáng)和地球之間的日地空間，是人類航天活動(dòng)與空間開(kāi)發(fā)利用的主要區(qū)域，是與陸地、海洋、大氣并列的“第四環(huán)境”。在日地空間中，由太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)的、短時(shí)間尺度的劇烈環(huán)境變化，被稱為空間天氣。災(zāi)害性空間天氣事件會(huì)對(duì)衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航及電力系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。
“正因?yàn)榭臻g天氣是全球性現(xiàn)象，才需要在廣闊的宇宙空間和全球各地進(jìn)行大量觀測(cè)。而這樣的觀測(cè)，單靠一個(gè)國(guó)家的資源和力量是難以完成的，因此空間天氣的監(jiān)測(cè)與研究離不開(kāi)國(guó)際合作。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任王赤告訴記者，發(fā)起國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，就是為了聯(lián)合全球空間天氣監(jiān)測(cè)與研究力量，聚焦空間天氣的物理過(guò)程和變化規(guī)律等，開(kāi)展聯(lián)合科學(xué)攻關(guān)。
“由于具有連續(xù)、方便、可控、可信和成本低的優(yōu)勢(shì)，地基探測(cè)是開(kāi)展空間天氣監(jiān)測(cè)與研究的最行之有效的途徑，是地球空間環(huán)境探測(cè)不可或缺的重要部分。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將以地基探測(cè)為主。”王赤介紹，地基探測(cè)已經(jīng)歷了“站—鏈—區(qū)域網(wǎng)格”的發(fā)展歷程，正向著“全球網(wǎng)絡(luò)化”的方向發(fā)展。
為什么要選擇沿東經(jīng)120度—西經(jīng)60度子午圈建設(shè)觀測(cè)設(shè)施，它有什么特別之處？
王赤介紹，與其他經(jīng)線圈相比，東經(jīng)120度—西經(jīng)60度子午圈區(qū)域的陸地最完整，沿這條子午圈部署地基觀測(cè)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)全緯度覆蓋，形成一個(gè)閉合的地基“監(jiān)測(cè)圈”。
“隨著地球自轉(zhuǎn)，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的觀測(cè)設(shè)施可以對(duì)日地空間環(huán)境進(jìn)行‘三維掃描’，形成不間斷的多尺度立體成像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境全緯度、全天候的立體觀測(cè)。”王赤解釋道。
解碼空間天氣過(guò)程規(guī)律
那么，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的觀測(cè)設(shè)施所進(jìn)行的“三維掃描”，具體想看清什么？
“該計(jì)劃旨在構(gòu)建日地系統(tǒng)全球監(jiān)測(cè)鏈，解碼空間天氣過(guò)程與規(guī)律。簡(jiǎn)單來(lái)講，它的科學(xué)目標(biāo)是認(rèn)知一個(gè)系統(tǒng)、厘清兩類影響、破解三大難題。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員張清和解釋，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的主要研究對(duì)象是地球空間，“一個(gè)系統(tǒng)”即地球空間系統(tǒng)。
作為日地空間中與人類活動(dòng)關(guān)系最為密切的空間區(qū)域，地球空間是指從地表100公里以上到約10個(gè)地球半徑的區(qū)域，包括高層大氣、電離層和磁層。這一區(qū)域?qū)θ祟惢顒?dòng)至關(guān)重要，特別是航天飛行、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域高度依賴地球空間環(huán)境的穩(wěn)定性。國(guó)際子午圈多樣化的觀測(cè)手段和全球性布局，有望為地球空間系統(tǒng)研究帶來(lái)前所未有的突破。
“地球空間環(huán)境就像是太陽(yáng)和地球之間的一個(gè)‘夾心層’，同時(shí)受到來(lái)自天上和地上兩股力量的拉扯。”張清和說(shuō)，一方面，是“天上來(lái)的影響”，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈，比如發(fā)生大爆發(fā)時(shí)，它會(huì)向地球方向噴出大量物質(zhì)和能量，直接沖擊地球空間，引發(fā)破壞性空間天氣事件；另一方面，是“地上來(lái)的影響”，地球上的大地震、火山猛烈噴發(fā)、威力巨大的雷暴和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等活動(dòng)，會(huì)攪動(dòng)地球空間環(huán)境。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃要厘清這“兩類影響”。
此外，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃還要弄清“三大難題”。“這些難題分別是空間環(huán)境全球與典型區(qū)域的多要素多時(shí)空尺度特征、太陽(yáng)大氣爆發(fā)及其在日地空間的傳播和演化、空間天氣與全球氣候變化以及地球自然災(zāi)害的關(guān)系。”張清和說(shuō)。
子午工程提供核心基礎(chǔ)
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃如何實(shí)施？
“今年3月，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程二期正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。至此，我國(guó)建成了國(guó)際上綜合實(shí)力最強(qiáng)的空間天氣地基區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這是國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃實(shí)施的核心基礎(chǔ)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員徐寄遙說(shuō)。
目前，我國(guó)的子午工程沿東經(jīng)100度、120度以及北緯40度、30度這兩縱兩橫布局了31個(gè)臺(tái)站、282臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成對(duì)日地空間全圈層的立體式監(jiān)測(cè)能力。子午工程還自主研發(fā)了一批國(guó)際領(lǐng)先的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，在空間物理和空間天氣基本物理問(wèn)題的研究方面發(fā)揮重要作用。
同時(shí)，子午工程建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，還培養(yǎng)了一批人才隊(duì)伍。“比如，子午工程培育并匯聚了一支在空間物理與空間天氣領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、國(guó)際視野和國(guó)際合作能力的高水平研究團(tuán)隊(duì)，鍛造了一支專業(yè)技術(shù)過(guò)硬、勇于創(chuàng)新、具備國(guó)際水平的技術(shù)攻關(guān)隊(duì)伍，培養(yǎng)了一支具備大型綜合探測(cè)系統(tǒng)管理能力的專業(yè)化隊(duì)伍。”徐寄遙說(shuō)，這為國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的實(shí)施奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，這批人才有望發(fā)揮核心骨干作用。
“目前，已有36個(gè)國(guó)際組織和國(guó)外科研機(jī)構(gòu)與我方簽署了合作協(xié)議或確定了合作意向。”王赤介紹，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將至少執(zhí)行11年，搭建世界科學(xué)家廣泛參與和密切合作的平臺(tái)，完成一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期以上的日地空間環(huán)境探測(cè)和研究。
“全球性的布局、多樣化的觀測(cè)手段，憑借這些優(yōu)勢(shì)，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃有望助力人類空間天氣研究取得重大突破，為提升全球空間天氣災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力、共同開(kāi)發(fā)利用空間資源提供科學(xué)支撐。”王赤說(shuō)。
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