圖①：陣列式大口徑激光雷達(dá)。

圖②：行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡。

圖③：3月20日，在位于北京懷柔的子午工程綜合信息與運(yùn)控中心大樓，一名科研人員走過(guò)空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心。

新華社記者?金立旺?攝

圖④：圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡。

除圖③外均由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心供圖

覆蓋范圍最廣、監(jiān)測(cè)要素最全、綜合能力最強(qiáng)！我國(guó)大國(guó)重器又上新了！

3月21日，在北京懷柔科學(xué)城，國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)建設(shè)的“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)（子午工程二期）正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

這是我國(guó)建成的國(guó)際首個(gè)覆蓋日地空間全圈層（太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層—中高層大氣）的綜合性空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)設(shè)施，也是世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)。子午工程二期正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)能力躍居世界領(lǐng)先地位，為全球空間天氣研究貢獻(xiàn)出中國(guó)方案。

空間天氣是什么？子午工程二期如何對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果有哪些應(yīng)用？子午工程建設(shè)經(jīng)過(guò)了怎樣的發(fā)展歷程？記者近日前往中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，采訪了有關(guān)專家。

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構(gòu)建“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應(yīng)的全鏈條追蹤監(jiān)測(cè)

隨著科技發(fā)展，人類活動(dòng)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(yáng)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(yáng)大氣等五大圈層，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。

這是當(dāng)前人類開展航天活動(dòng)、開發(fā)利用空間的主要區(qū)域，被認(rèn)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(fēng)、雨、雷、電、雪、冰雹等天氣，日地空間也有“風(fēng)風(fēng)雨雨”。

太陽(yáng)有時(shí)具有暴脾氣，太陽(yáng)耀斑等劇烈活動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致日地空間環(huán)境發(fā)生各種短期變化過(guò)程，這些變化便是“空間天氣”，其中，“風(fēng)”是太陽(yáng)風(fēng)，“雨”是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子雨。

災(zāi)害性空間天氣可導(dǎo)致衛(wèi)星失效、通信中斷、導(dǎo)航偏差、電網(wǎng)癱瘓等重大風(fēng)險(xiǎn)，威脅國(guó)家安全與民生基礎(chǔ)設(shè)施等。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副主任、子午工程中心主任李暉認(rèn)為，要保障國(guó)家戰(zhàn)略需求、人民群眾利益，必須加強(qiáng)對(duì)空間天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，搶占空間天氣科技制高點(diǎn)。

“相比運(yùn)用航天器的天基監(jiān)測(cè)，運(yùn)用地球上的監(jiān)測(cè)設(shè)備開展的地基監(jiān)測(cè)具有‘連續(xù)、便捷、可控、可信、經(jīng)濟(jì)’等優(yōu)勢(shì)。”李暉介紹。1993年，我國(guó)老一輩科學(xué)家們提出建設(shè)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)設(shè)施子午工程的設(shè)想。

子午工程分為一期和二期?！耙黄谟?008年開工建設(shè)，從無(wú)到有，沿東經(jīng)120°子午線、北緯30°緯度線，在15個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，‘十’字形、鏈條式部署了87臺(tái)（套）監(jiān)測(cè)設(shè)備，并于2012年正式運(yùn)行?！崩顣熣f(shuō)，“一期運(yùn)行以來(lái)取得了一系列重大成果。但是，其設(shè)備多是較常規(guī)的小型設(shè)備，監(jiān)測(cè)能力有限，覆蓋區(qū)域也有限。隨著科技發(fā)展、形勢(shì)變化，越來(lái)越不能滿足我國(guó)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)需求?！?/p>

2019年11月，子午工程二期開工建設(shè)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭，聯(lián)合8個(gè)部門的15家單位協(xié)同攻關(guān)，創(chuàng)新性構(gòu)建了“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應(yīng)的全鏈條追蹤監(jiān)測(cè)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)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(yáng)—行星際監(jiān)測(cè)鏈，通過(guò)一系列先進(jìn)的太陽(yáng)—行星際監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成對(duì)從太陽(yáng)到地球空間全鏈條的監(jiān)測(cè)能力；“三網(wǎng)”包括地磁監(jiān)測(cè)網(wǎng)、中高層大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)和電離層監(jiān)測(cè)網(wǎng)，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、地磁開展“全景”監(jiān)測(cè)；“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(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”的綜合探測(cè)。

從無(wú)到有，從有到強(qiáng)。子午工程二期實(shí)現(xiàn)了空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)覆蓋廣度、技術(shù)深度和探測(cè)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(shù)深度的突破，主要體現(xiàn)在我國(guó)自主研發(fā)的大型設(shè)備通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)世界領(lǐng)先。探測(cè)精度則和技術(shù)深度分不開，比如國(guó)際首臺(tái)全季節(jié)觀測(cè)陣列式大口徑激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了200—1000公里高度的探測(cè)，其信號(hào)靈敏度是國(guó)際同類設(shè)備的100—200倍。”李暉介紹，這些突破，將顯著提升我國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)警能力，為搶占空間科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)提供強(qiáng)大助力。

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邊探索邊研制，建成一批國(guó)際領(lǐng)先的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上

“子午工程二期主要由空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)三大系統(tǒng)構(gòu)成。分布在各臺(tái)站、站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)成空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備是分散在各地的，所以需要數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸、信息處理、分發(fā)服務(wù)等?？茖W(xué)應(yīng)用系統(tǒng)則主要由科學(xué)運(yùn)行、研究支撐、預(yù)報(bào)服務(wù)、交叉應(yīng)用等分系統(tǒng)構(gòu)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(cè)設(shè)備，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(yuǎn)鏡——圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡?！扒а厶熘椤本邆渥畲笠晥?chǎng)達(dá)10個(gè)太陽(yáng)半徑的連續(xù)穩(wěn)定的太陽(yáng)射電成像與頻譜觀測(cè)能力，可對(duì)日冕的射電活動(dòng)進(jìn)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(dá)，是全球探測(cè)能力最強(qiáng)的相控陣非相干散射雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)上千公里電離層的CT掃描，具有3分量成像探測(cè)能力。

位于新疆和靜縣、內(nèi)蒙古四子王旗、吉林龍井市的中緯高頻雷達(dá)，填補(bǔ)了國(guó)際超級(jí)雙極光雷達(dá)網(wǎng)在歐亞扇區(qū)的監(jiān)測(cè)空白，實(shí)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(cè)。

位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟明安圖鎮(zhèn)的行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡，是我國(guó)首臺(tái)用于行星際閃爍監(jiān)測(cè)的望遠(yuǎn)鏡，具備對(duì)太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)觀測(cè)能力……

令廣大科研人員尤為自豪的是，這些大型監(jiān)測(cè)設(shè)備是我國(guó)自主研制的。

“子午工程一期的監(jiān)測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率不到50%，而子午工程二期的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了90%以上。這些設(shè)備，從設(shè)計(jì)、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(shè)，到最終呈現(xiàn)最優(yōu)效果，難度可想而知?！毙旒倪b認(rèn)為，自主研發(fā)能力和水平顯著提高的背后，離不開國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科研實(shí)力提高和高水平人才隊(duì)伍建設(shè)等提供的基礎(chǔ)與底氣。

作為我國(guó)“十三五”時(shí)期空間科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)志性工程，子午工程二期在世界范圍內(nèi)是覆蓋范圍最廣、監(jiān)測(cè)要素最全、綜合能力最強(qiáng)的。

在我國(guó)本土、地球南北極區(qū)，子午工程二期實(shí)現(xiàn)了對(duì)近地空間（地磁、電離層、中高層大氣）的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)，從而助力日地空間環(huán)境整體變化機(jī)理、空間物理基本物理過(guò)程等前沿科學(xué)研究，并為我國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警服務(wù)提供關(guān)鍵的自主數(shù)據(jù)輸入。

“子午工程二期是邊建設(shè)、邊運(yùn)行、邊產(chǎn)出的，建成一個(gè)大型監(jiān)測(cè)設(shè)備就運(yùn)行一個(gè)，在正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收之前就已連續(xù)獲取空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，持續(xù)產(chǎn)出系列成果?！崩顣熣f(shuō)，試運(yùn)行期間，子午工程二期就展現(xiàn)出卓越性能。

2024年5月，一場(chǎng)超級(jí)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(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的全過(guò)程，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，展現(xiàn)了其對(duì)空間天氣事件的快速、高精度、全局監(jiān)測(cè)能力。

截至目前，利用子午工程二期的監(jiān)測(cè)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(xiàng)。

3

從中國(guó)到世界，實(shí)施國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，為在外空領(lǐng)域推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體提供科學(xué)依據(jù)

在子午工程一期的基礎(chǔ)上，子午工程二期新增16個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)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(cè)網(wǎng)絡(luò)，目前共擁有31個(gè)臺(tái)站、96個(gè)站點(diǎn)、282臺(tái)（套）監(jiān)測(cè)設(shè)備。

從“十”字形到“井”字形布局，子午工程填補(bǔ)了一些監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)對(duì)象的空白，大大提高了監(jiān)測(cè)能力。據(jù)徐寄遙介紹，在極區(qū)等重要區(qū)域，在已有臺(tái)站、站點(diǎn)基礎(chǔ)上，還增設(shè)了一些設(shè)備。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的懷柔園區(qū)有棟“子午樓”，是子午工程綜合信息與運(yùn)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(diào)度、運(yùn)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(shí)時(shí)滾動(dòng)著各地監(jiān)測(cè)設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)空間環(huán)境事件，樓上的國(guó)際空間環(huán)境服務(wù)組織中國(guó)區(qū)域警報(bào)中心將迅速通過(guò)多種渠道公開預(yù)報(bào)、預(yù)警信息。

運(yùn)用子午工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的成果，可以應(yīng)用到空間物理、對(duì)地遙感、導(dǎo)航定位、月球科學(xué)、射電天文等很多領(lǐng)域，為我國(guó)載人航天、深空探測(cè)等國(guó)家重大任務(wù)提供有力保障，為我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

這樣的大國(guó)重器，與百姓日常學(xué)習(xí)、工作、生活有哪些關(guān)系？

實(shí)際上，作為地球上的空間天氣“超級(jí)氣象站”，子午工程二期通過(guò)給太空做“超級(jí)CT”，在“邊建設(shè)、邊運(yùn)行、邊產(chǎn)出”的過(guò)程中就已多次發(fā)揮重大作用，在空間環(huán)境事件襲來(lái)時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)預(yù)警，推動(dòng)及時(shí)防范，避免了重大損失。李暉舉了幾個(gè)例子：“就整個(gè)城市而言，如果太陽(yáng)風(fēng)暴襲來(lái)時(shí)，供電設(shè)施做了很好的防護(hù)，就可能防止電網(wǎng)癱瘓。在日常生活中，人們出行時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航定位精度更高了。想去極區(qū)旅游，只要關(guān)注空間天氣，挑選太陽(yáng)風(fēng)暴強(qiáng)烈的時(shí)候，就可能會(huì)看到絢麗極光?！?/p>

目前子午工程一期和二期已融合運(yùn)行?！叭诤线\(yùn)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(gè)整體，實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)交流，更加方便科研工作?！毙旒倪b說(shuō)。

融合運(yùn)行后的子午工程將躍上新的臺(tái)階，吸引全球更多科學(xué)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(xiàn)。

太陽(yáng)一打噴嚏，地球就感冒?？臻g天氣問(wèn)題是全球性問(wèn)題，需要全球共同應(yīng)對(duì)，提出全球化的解決方案。

我國(guó)科學(xué)家以子午工程為基礎(chǔ)，率先提出并主導(dǎo)實(shí)施國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃。

“計(jì)劃的目標(biāo)是在東經(jīng)120°至西經(jīng)60°這一地球陸地上唯一一個(gè)可閉環(huán)的子午圈，把沿線國(guó)家空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)合起來(lái)，建立陸地最完整的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)鏈?！崩顣熃榻B，通過(guò)實(shí)施國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)日地空間環(huán)境全緯度、全天候、日不落的立體觀測(cè)，解決太陽(yáng)風(fēng)暴、地球磁場(chǎng)變化等全球性挑戰(zhàn)難題，為應(yīng)對(duì)空間天氣災(zāi)害、和平利用空間、在外空領(lǐng)域推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體提供科學(xué)依據(jù)。

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