覆蓋范圍最廣、監(jiān)測要素最全、綜合能力最強！我國大國重器又上新了！

3月21日，在北京懷柔科學城，國家發(fā)展改革委批復建設的“十三五”國家重大科技基礎設施——空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）正式通過國家驗收。

這是我國建成的國際首個覆蓋日地空間全圈層（太陽風—磁層—電離層—中高層大氣）的綜合性空間環(huán)境地基監(jiān)測設施，也是世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)。子午工程二期正式通過國家驗收，標志著我國空間環(huán)境地基監(jiān)測能力躍居世界領先地位，為全球空間天氣研究貢獻出中國方案。

空間天氣是什么？子午工程二期如何對其實施監(jiān)測，監(jiān)測成果有哪些應用？子午工程建設經(jīng)過了怎樣的發(fā)展歷程？記者近日前往中國科學院國家空間科學中心，采訪了有關專家。

構建“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”監(jiān)測體系，實現(xiàn)從太陽表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應的全鏈條追蹤監(jiān)測

隨著科技發(fā)展，人類活動逐漸向日地空間延伸。日地空間一般指地表20至30公里以上直至太陽表面的廣闊區(qū)域，涵蓋中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽大氣等五大圈層，由太陽不斷向外輸出的巨大能量和物質與地球大氣相互作用而形成。

這是當前人類開展航天活動、開發(fā)利用空間的主要區(qū)域，被認為是陸、海、空（低層大氣）環(huán)境之外的“第四環(huán)境”。

正如地球上有風、雨、雷、電、雪、冰雹等天氣，日地空間也有“風風雨雨”。

太陽有時具有暴脾氣，太陽耀斑等劇烈活動，會導致日地空間環(huán)境發(fā)生各種短期變化過程，這些變化便是“空間天氣”，其中，“風”是太陽風，“雨”是來自太陽的帶電粒子雨。

災害性空間天氣可導致衛(wèi)星失效、通信中斷、導航偏差、電網(wǎng)癱瘓等重大風險，威脅國家安全與民生基礎設施等。中國科學院國家空間科學中心副主任、子午工程中心主任李暉認為，要保障國家戰(zhàn)略需求、人民群眾利益，必須加強對空間天氣的監(jiān)測與預報，搶占空間天氣科技制高點。

“相比運用航天器的天基監(jiān)測，運用地球上的監(jiān)測設備開展的地基監(jiān)測具有‘連續(xù)、便捷、可控、可信、經(jīng)濟’等優(yōu)勢?！崩顣熃榻B。1993年，我國老一輩科學家們提出建設空間環(huán)境地基監(jiān)測設施子午工程的設想。

子午工程分為一期和二期?！耙黄谟?008年開工建設，從無到有，沿東經(jīng)120°子午線、北緯30°緯度線，在15個監(jiān)測臺站，‘十’字形、鏈條式部署了87臺（套）監(jiān)測設備，并于2012年正式運行。”李暉說，“一期運行以來取得了一系列重大成果。但是，其設備多是較常規(guī)的小型設備，監(jiān)測能力有限，覆蓋區(qū)域也有限。隨著科技發(fā)展、形勢變化，越來越不能滿足我國空間環(huán)境監(jiān)測需求。”

2019年11月，子午工程二期開工建設。中國科學院國家空間科學中心牽頭，聯(lián)合8個部門的15家單位協(xié)同攻關，創(chuàng)新性構建了“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的監(jiān)測體系，實現(xiàn)從太陽表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應的全鏈條追蹤監(jiān)測。

中國科學院國家空間科學中心研究員、子午工程二期總工程師徐寄遙向記者介紹，“一鏈”即太陽—行星際監(jiān)測鏈，通過一系列先進的太陽—行星際監(jiān)測設備，形成對從太陽到地球空間全鏈條的監(jiān)測能力；“三網(wǎng)”包括地磁監(jiān)測網(wǎng)、中高層大氣監(jiān)測網(wǎng)和電離層監(jiān)測網(wǎng)，采用地磁、無線電、光學等手段，對我國區(qū)域的電離層、中高層大氣、地磁開展“全景”監(jiān)測；“四聚焦”是指聚焦極區(qū)高緯地區(qū)、北方中緯地區(qū)、海南（南方）低緯地區(qū)、地球“第三極”青藏高原地區(qū)四個重點區(qū)域，建設國際先進的大型監(jiān)測設備，開展對空間環(huán)境的精細“顯微”的綜合探測。

從無到有，從有到強。子午工程二期實現(xiàn)了空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測覆蓋廣度、技術深度和探測精度的多維度突破。

“覆蓋廣度的突破主要體現(xiàn)在南北縱深和東西跨度更大。技術深度的突破，主要體現(xiàn)在我國自主研發(fā)的大型設備通過技術創(chuàng)新實現(xiàn)了多項世界領先。探測精度則和技術深度分不開，比如國際首臺全季節(jié)觀測陣列式大口徑激光雷達實現(xiàn)了200—1000公里高度的探測，其信號靈敏度是國際同類設備的100—200倍?！崩顣熃榻B，這些突破，將顯著提升我國空間天氣預報預警能力，為搶占空間科技戰(zhàn)略制高點提供強大助力。

邊探索邊研制，建成一批國際領先的空間環(huán)境監(jiān)測設備，國產(chǎn)化率達90%以上

“子午工程二期主要由空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、科學應用系統(tǒng)三大系統(tǒng)構成。分布在各臺站、站點的監(jiān)測設備，構成空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。由于監(jiān)測設備是分散在各地的，所以需要數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來提供數(shù)據(jù)傳輸、信息處理、分發(fā)服務等。科學應用系統(tǒng)則主要由科學運行、研究支撐、預報服務、交叉應用等分系統(tǒng)構成?！毙旒倪b自豪地向記者介紹，子午工程二期建成的一批大型監(jiān)測設備，技術指標達到國際先進水平。

在四川稻城縣，313部直徑6米的拋物面天線，均勻分布在直徑為1公里的圓環(huán)上，這便是被稱為“千眼天珠”的全球最大綜合孔徑射電望遠鏡——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡?！扒а厶熘椤本邆渥畲笠晥鲞_10個太陽半徑的連續(xù)穩(wěn)定的太陽射電成像與頻譜觀測能力，可對日冕的射電活動進行三維層析。

位于海南三亞市、文昌市、儋州市的三站式非相干散射雷達，是全球探測能力最強的相控陣非相干散射雷達，可實現(xiàn)上千公里電離層的CT掃描，具有3分量成像探測能力。

位于新疆和靜縣、內蒙古四子王旗、吉林龍井市的中緯高頻雷達，填補了國際超級雙極光雷達網(wǎng)在歐亞扇區(qū)的監(jiān)測空白，實現(xiàn)了南北縱深約4000公里、東西跨度約10000公里的亞洲扇區(qū)中高緯電離層環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測。

位于內蒙古錫林郭勒盟明安圖鎮(zhèn)的行星際閃爍監(jiān)測望遠鏡，是我國首臺用于行星際閃爍監(jiān)測的望遠鏡，具備對太陽風結構的連續(xù)觀測能力……

令廣大科研人員尤為自豪的是，這些大型監(jiān)測設備是我國自主研制的。

“子午工程一期的監(jiān)測設備國產(chǎn)化率不到50%，而子午工程二期的大型監(jiān)測設備國產(chǎn)化率達到了90%以上。這些設備，從設計、研制到搭建等等，很多都是一邊探索一邊修改方案一邊研制和建設，到最終呈現(xiàn)最優(yōu)效果，難度可想而知。”徐寄遙認為，自主研發(fā)能力和水平顯著提高的背后，離不開國家經(jīng)濟發(fā)展、科研實力提高和高水平人才隊伍建設等提供的基礎與底氣。

作為我國“十三五”時期空間科學領域的標志性工程，子午工程二期在世界范圍內是覆蓋范圍最廣、監(jiān)測要素最全、綜合能力最強的。

在我國本土、地球南北極區(qū)，子午工程二期實現(xiàn)了對近地空間（地磁、電離層、中高層大氣）的協(xié)同網(wǎng)絡化監(jiān)測，從而助力日地空間環(huán)境整體變化機理、空間物理基本物理過程等前沿科學研究，并為我國空間天氣預報和預警服務提供關鍵的自主數(shù)據(jù)輸入。

“子午工程二期是邊建設、邊運行、邊產(chǎn)出的，建成一個大型監(jiān)測設備就運行一個，在正式通過國家驗收之前就已連續(xù)獲取空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對外提供數(shù)據(jù)共享服務，持續(xù)產(chǎn)出系列成果?！崩顣熣f，試運行期間，子午工程二期就展現(xiàn)出卓越性能。

2024年5月，一場超級磁暴事件襲擊地球。子午工程二期成功捕捉到并完整記錄了日地空間環(huán)境對太陽活動響應的全過程，及時發(fā)出預警，展現(xiàn)了其對空間天氣事件的快速、高精度、全局監(jiān)測能力。

截至目前，利用子午工程二期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，科研人員已發(fā)表科技論文96篇，獲批專利等48項。

從中國到世界，實施國際子午圈大科學計劃，為在外空領域推動構建人類命運共同體提供科學依據(jù)

在子午工程一期的基礎上，子午工程二期新增16個監(jiān)測臺站，與一期共同形成了沿東經(jīng)100°、120°，北緯40°、30°，呈“井”字形布局的空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，目前共擁有31個臺站、96個站點、282臺（套）監(jiān)測設備。

從“十”字形到“井”字形布局，子午工程填補了一些監(jiān)測區(qū)域、監(jiān)測對象的空白，大大提高了監(jiān)測能力。據(jù)徐寄遙介紹，在極區(qū)等重要區(qū)域，在已有臺站、站點基礎上，還增設了一些設備。

中國科學院國家空間科學中心的懷柔園區(qū)有棟“子午樓”，是子午工程綜合信息與運控中心所在地。

這里是子午工程的“司令部”，具有指令發(fā)布、總體調度、運行監(jiān)管、數(shù)據(jù)匯集、發(fā)布產(chǎn)品等功能。大廳的大屏幕上，實時滾動著各地監(jiān)測設備傳回的數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)空間環(huán)境事件，樓上的國際空間環(huán)境服務組織中國區(qū)域警報中心將迅速通過多種渠道公開預報、預警信息。

運用子午工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的成果，可以應用到空間物理、對地遙感、導航定位、月球科學、射電天文等很多領域，為我國載人航天、深空探測等國家重大任務提供有力保障，為我國重要的空間基礎設施穩(wěn)定運行保駕護航。

這樣的大國重器，與百姓日常學習、工作、生活有哪些關系？

實際上，作為地球上的空間天氣“超級氣象站”，子午工程二期通過給太空做“超級CT”，在“邊建設、邊運行、邊產(chǎn)出”的過程中就已多次發(fā)揮重大作用，在空間環(huán)境事件襲來時及時發(fā)出預報預警，推動及時防范，避免了重大損失。李暉舉了幾個例子：“就整個城市而言，如果太陽風暴襲來時，供電設施做了很好的防護，就可能防止電網(wǎng)癱瘓。在日常生活中，人們出行時，可能會發(fā)現(xiàn)導航定位精度更高了。想去極區(qū)旅游，只要關注空間天氣，挑選太陽風暴強烈的時候，就可能會看到絢麗極光?！?/p>

3月20日，在位于北京懷柔的子午工程綜合信息與運控中心大樓，一名科研人員走過空間環(huán)境預報中心。新華社記者 金立旺 攝

目前子午工程一期和二期已融合運行?！叭诤线\行需要子午工程一期在硬件上更新?lián)Q代、改造提升，在軟件上與二期統(tǒng)一，在歷史數(shù)據(jù)上與二期數(shù)據(jù)格式一致，使子午工程真正融合為一個整體，實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)交流，更加方便科研工作?！毙旒倪b說。

融合運行后的子午工程將躍上新的臺階，吸引全球更多科學家開展合作研究，為了解人類生存“第四環(huán)境”做出重大貢獻。

太陽一打噴嚏，地球就感冒?？臻g天氣問題是全球性問題，需要全球共同應對，提出全球化的解決方案。

我國科學家以子午工程為基礎，率先提出并主導實施國際子午圈大科學計劃。

“計劃的目標是在東經(jīng)120°至西經(jīng)60°這一地球陸地上唯一一個可閉環(huán)的子午圈，把沿線國家空間環(huán)境地基監(jiān)測設備聯(lián)合起來，建立陸地最完整的空間環(huán)境監(jiān)測鏈?！崩顣熃榻B，通過實施國際子午圈大科學計劃，實現(xiàn)對日地空間環(huán)境全緯度、全天候、日不落的立體觀測，解決太陽風暴、地球磁場變化等全球性挑戰(zhàn)難題，為應對空間天氣災害、和平利用空間、在外空領域推動構建人類命運共同體提供科學依據(jù)。

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