從子午工程一期開始，全球空間環(huán)境地基監(jiān)測研究的重心開始向中國轉(zhuǎn)移，子午工程二期將完成這個重心的轉(zhuǎn)移，我國將實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境從認(rèn)知能力向認(rèn)知與保障能力并重的提升

太陽活動是地球?yàn)?zāi)害性空間天氣之“因”，地磁暴等近地空間環(huán)境響應(yīng)是太陽風(fēng)暴與地球空間環(huán)境相互作用之“果”。為了研究日地空間天氣因果鏈，子午工程二期通過自主創(chuàng)新突破了一系列關(guān)鍵探測技術(shù)

以子午工程為基礎(chǔ)，中國科學(xué)家率先提出并主導(dǎo)實(shí)施國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃（IMCP）

文?|《瞭望》新聞周刊記者?扈永順

當(dāng)前，我國太空資產(chǎn)規(guī)模持續(xù)壯大，在軌航天器數(shù)量已超1000顆，位居世界第二。災(zāi)害性空間天氣嚴(yán)重威脅太空資產(chǎn)安全，據(jù)統(tǒng)計(jì)在軌衛(wèi)星故障有一半左右是受到空間天氣事件影響。

國家發(fā)展改革委批復(fù)建設(shè)的“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)（子午工程二期）近日已正式通過驗(yàn)收，這是我國建成的國際首個覆蓋日地空間全圈層（太陽大氣-行星際-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(shè)施，標(biāo)志著中國空間環(huán)境地基監(jiān)測能力躍居世界領(lǐng)先地位，也進(jìn)一步增強(qiáng)了對我國航天器的空間天氣保障能力。

“子午工程一期建成后，我國空間環(huán)境地基監(jiān)測的綜合性能力取得重大發(fā)展，空間天氣服務(wù)開始成體系化，近5年我們提供了空間站、探月工程等60多次重大航天任務(wù)的空間環(huán)境保障服務(wù)?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤告訴《瞭望》新聞周刊記者。從子午工程一期開始，全球空間環(huán)境地基監(jiān)測研究的重心開始向中國轉(zhuǎn)移，子午工程二期將完成這個重心的轉(zhuǎn)移，我國將實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境從認(rèn)知能力向認(rèn)知與保障能力并重的提升。

國際合作中，正在推進(jìn)的國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃，將使我國借勢形成全球輻射能力，使得中國空間環(huán)境地基監(jiān)測研究能力實(shí)現(xiàn)從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的超越。

中國空間天氣服務(wù)成體系化發(fā)展

《瞭望》：為什么要關(guān)注空間天氣？

王赤：當(dāng)前人類活動逐漸超越陸地、海洋和低層大氣的限制，向著更廣袤的日地空間延伸。日地空間環(huán)境是指地表20～30千米（平流層頂）以上直至太陽表面的廣闊區(qū)域，涵蓋了物理性質(zhì)不同的中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽大氣等五大圈層，是由太陽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。日地空間是當(dāng)前人類航天活動、空間開發(fā)利用的主要區(qū)域，是與人類生存發(fā)展息息相關(guān)的“第四環(huán)境”。

日地空間范圍內(nèi)的災(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)。2022年，一次中等空間天氣事件導(dǎo)致SpaceX的38顆“星鏈”衛(wèi)星提前墜入大氣層報(bào)廢。2024年5月，強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴襲擊地球，罕見的極光現(xiàn)象出現(xiàn)在我國北方地區(qū)，全球多地出現(xiàn)大面積短波通信中斷、天波超視距雷達(dá)探測能力嚴(yán)重下降、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）失鎖等突發(fā)狀況。

提升空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)警水平，是搶占空間天氣科技制高點(diǎn)、滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略的迫切要求。

《瞭望》：子午工程在空間科學(xué)研究與應(yīng)用服務(wù)中發(fā)揮了哪些作用？

王赤：地基監(jiān)測是天地一體化空間環(huán)境監(jiān)測體系中的重要組成部分和基礎(chǔ)，我國地基監(jiān)測經(jīng)歷了從零星觀測到綜合集成的發(fā)展路徑。子午工程是我國空間科學(xué)領(lǐng)域的首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，旨在建設(shè)一個綜合性的地基空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。2012年子午工程一期通過國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。至今已經(jīng)歷了一個太陽周（11年），為提升我國空間環(huán)境研究和應(yīng)用水平作出了重要貢獻(xiàn)。

研究方面，子午工程一期取得了一系列突破，主要集中在對我國空間環(huán)境區(qū)域特征的研究、空間天氣擾動的傳播規(guī)律以及不同空間圈層之間的物質(zhì)和能量耦合等方面。應(yīng)用方面，工程為我國重要的空間環(huán)境預(yù)報(bào)保障單位提供了自主數(shù)據(jù)，應(yīng)用于載人航天、深空探測等多項(xiàng)國家重大任務(wù)的保障中。

子午工程二期可以實(shí)現(xiàn)從太陽表面爆發(fā)、行星際傳播到地球空間響應(yīng)的全鏈條追蹤監(jiān)測。在我國本土、地球南北極區(qū)實(shí)現(xiàn)對近地空間（地磁、電離層、中高層大氣）的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測，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程等前沿科學(xué)研究，并為中國空間天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警服務(wù)提供關(guān)鍵的自主數(shù)據(jù)。

在試運(yùn)行期間，子午工程二期展現(xiàn)出卓越性能，如成功捕捉到2024年5月超級磁暴事件，完整記錄日地空間環(huán)境對太陽活動響應(yīng)的全過程，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。利用子午工程二期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，已發(fā)表科技論文96篇，獲批專利等48項(xiàng)。

目前子午工程一期和二期已融合運(yùn)行。相比國際上其他監(jiān)測要素和手段較為單一的地基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，如地磁監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)MAGDAS、國際超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)SuperDARN、國際GNSS服務(wù)IGS等，子午工程在國際上覆蓋范圍最廣、監(jiān)測要素最全、綜合能力最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了空間天氣鏈鎖變化過程端對端的整體監(jiān)測，將對太陽活動-日地傳輸-對地影響的全過程研究產(chǎn)生重大影響。

自主創(chuàng)新突破關(guān)鍵探測技術(shù)

《瞭望》：子午工程的監(jiān)測架構(gòu)是怎樣的？

王赤：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，而隨著地球自轉(zhuǎn)，利用子午線上臺站聯(lián)合探測可實(shí)現(xiàn)對空間環(huán)境進(jìn)行掃描觀測，類似于給地球空間環(huán)境做CT。采用地磁（電）、無線電、光學(xué)等手段，可連續(xù)監(jiān)測地球表面20千米到幾百千米高度的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間。

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）中國的15個觀測臺站，建設(shè)了87臺不同類型的監(jiān)測設(shè)備。子午工程二期在一期基礎(chǔ)上新增了16個臺站，并提高一期臺站的綜合探測能力，形成沿東經(jīng)100°、120°，北緯40°、30°兩縱兩橫式布局的31個臺站、282臺監(jiān)測設(shè)備的空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

太陽活動是地球?yàn)?zāi)害性空間天氣之“因”，地磁暴等近地空間環(huán)境響應(yīng)是太陽風(fēng)暴與地球空間環(huán)境相互作用之“果”。為了研究日地空間天氣因果鏈，子午工程二期通過自主創(chuàng)新，新增了一系列先進(jìn)的太陽-行星際監(jiān)測設(shè)備（“一鏈”），用來監(jiān)測太陽風(fēng)暴-日冕活動、日地行星際傳播這一關(guān)鍵鏈條；采用地磁（電）、無線電、光學(xué)等手段，對我國區(qū)域的電離層、中高層大氣、地磁形成網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測能力（“三網(wǎng)”），用來監(jiān)測地球空間環(huán)境的擾動；在極區(qū)高緯、北方中緯、海南（南方）低緯、青藏高原4個重點(diǎn)區(qū)域建設(shè)國際先進(jìn)的大型監(jiān)測設(shè)備，開展對空間環(huán)境的精細(xì)“顯微”探測（“四聚焦”），實(shí)現(xiàn)對一些具備特殊空間天氣現(xiàn)象以及對中國區(qū)域影響較大地區(qū)的監(jiān)測。

《瞭望》：子午工程二期突破了哪些關(guān)鍵探測技術(shù)？

王赤：工程的最大特點(diǎn)是其完整的日地空間綜合監(jiān)測體系，使其具備對日地空間進(jìn)行端對端的整體探測研究能力。工程二期新增了一系列探測能力國際領(lǐng)先的大型監(jiān)測設(shè)備，其中包括全球最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)了最大視場達(dá)到10個Rs（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以及日冕射電活動的三維層析；國際首臺全季節(jié)觀測陣列式大口徑激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)探測高度200～1000千米，其信號靈敏度是國際同類設(shè)備的100～200倍；全球探測能力最強(qiáng)的三站式相控陣非相干散射雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)上千千米電離層的CT掃描和3分量速度矢量探測能力；我國首臺行星際閃爍望遠(yuǎn)鏡，太陽風(fēng)三維結(jié)構(gòu)反演能力國際領(lǐng)先。

推動以我為主的多邊國際科技合作

《瞭望》：中國在國際空間天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮了什么樣的作用？

王赤：子午工程大幅提升了中國在空間科學(xué)領(lǐng)域開展國際合作的凝聚力和話語權(quán)，推動了以我為主的多邊國際科技合作。

例如國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心利用子午工程自主監(jiān)測數(shù)據(jù)，順利完成多輪國際民航組織（ICAO）空間天氣國際值班任務(wù)。按照ICAO要求，國際民航組織全球空間天氣中心（中國）（CRC-CHN）作為當(dāng)值中心，負(fù)責(zé)監(jiān)測全球范圍內(nèi)影響航空運(yùn)行的空間天氣事件，制作和發(fā)布航空空間天氣產(chǎn)品，并提供空間天氣情報(bào)咨詢服務(wù)。依托子午工程監(jiān)測數(shù)據(jù)制作的空間天氣產(chǎn)品，有效地應(yīng)用在ICAO服務(wù)中，包括空間天氣日報(bào)產(chǎn)品和ICAO空間天氣咨詢報(bào)。在國際航空空間天氣全球服務(wù)背景下，彰顯我國空間天氣監(jiān)測以及預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

2024年1月，國際空間環(huán)境服務(wù)組織中國區(qū)域警報(bào)中心落戶懷柔科學(xué)城。子午工程是中國區(qū)域警報(bào)中心業(yè)務(wù)開展的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。中國區(qū)域警報(bào)中心持續(xù)向國際空間環(huán)境服務(wù)組織提供和交換每日空間天氣指數(shù)和事件預(yù)報(bào)產(chǎn)品，開展空間天氣預(yù)報(bào)技術(shù)交流和全球協(xié)調(diào)合作，將為全球共同應(yīng)對空間天氣災(zāi)害，構(gòu)建人類命運(yùn)共同體持續(xù)做出中國貢獻(xiàn)。

《瞭望》：國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃進(jìn)展如何？

王赤：空間天氣是全球性問題，需要全球合力參與。子午工程一期對能量如何從高緯傳播到低緯、從地球磁層外部傳播到磁層內(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)空間天氣觀測從太陽到地球的全過程，完成全球性空間天氣研究的第二步。以子午工程為基礎(chǔ)，我國科學(xué)家率先提出并主導(dǎo)實(shí)施國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃（IMCP），這是全球性空間天氣監(jiān)測研究的第三步。

IMCP的目標(biāo)是實(shí)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(fēng)暴、地球磁場變化等全球性挑戰(zhàn)難題，為應(yīng)對空間天氣災(zāi)害、和平利用空間、在外空領(lǐng)域推動構(gòu)建人類命運(yùn)共同體提供科學(xué)依據(jù)。

IMCP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國家或地區(qū)的千余臺儀器形成全球分布式地基探測網(wǎng)絡(luò)，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個小時生成一張地球空間環(huán)境的“核磁共振圖像”。并與天基探測衛(wèi)星相結(jié)合，在關(guān)鍵格點(diǎn)對關(guān)鍵過程進(jìn)行詳細(xì)診斷。同時，近千臺不同種類的儀器設(shè)備相互定標(biāo)，將全網(wǎng)絡(luò)的測量絕對基準(zhǔn)維持在一個穩(wěn)定精準(zhǔn)的基線上，不斷完善地球環(huán)境監(jiān)測能力指標(biāo)。例如，地球磁場現(xiàn)在以每百年10%的速率衰減，導(dǎo)致太陽能量粒子和宇宙射線對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IMCP這樣長期、穩(wěn)定和綜合的全球性觀測來判別。

IMCP自提出以來得到了國際熱烈響應(yīng)，數(shù)百位國際科學(xué)家參與規(guī)劃。來自中國、巴西、俄羅斯、泰國、法國、美國等國的20多個研究機(jī)構(gòu)，以及國際組織積極支持和參與。國際子午圈總部于2023年落戶懷柔科學(xué)城。中巴空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室作為國際子午圈計(jì)劃在海外建設(shè)的先行示范，與巴西國家空間研究院一起建立了南美區(qū)域的空間天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。IMCP的蓬勃發(fā)展，將大幅度提升中國在國際空間界的地位和影響力，為人類共同應(yīng)對全球性的空間天氣挑戰(zhàn)提供中國方案。

（《瞭望》2025年第13期 ）

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