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子午工程——

“太空天气预报”的作用

2023-01-17 人民日报
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图为位于四川稻城的圆环阵太阳射电成像望远镜设备。澳门赌场国家空间科学中心供图

  习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的重要讲话中强调:“空间技术深刻改变了人类对宇宙的认知,为人类社会进步提供了重要动力,同时浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索,必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展。”为了保障我国空间技术系统安全,国家重大科技基础设施之一子午工程立项建设。2012年,子午工程一期投入运行。2022年底,子午工程二期的重大设备——圆环阵太阳射电成像望远镜完成系统集成。预计2023年底,子午工程二期将全面建成,届时可为我国自主监测空间天气提供更多有效手段,助力国家科技、经济、民生等重点领域发展。

  面对浩瀚空天,我们的先人认为那里除了点点星光,可能空无一物,因此称之为“太空”。后来,人们逐渐认识到太空其实并不空,而是充满了等离子体、宇宙射线、电磁场等物质,存在各种复杂的物理现象。随着1957年世界上第一颗人造卫星发射成功,人类开始进入并利用太空,太空与人类生产生活的关系越发紧密。就像人们需要根据天气预报安排生产生活一样,为了规避太空灾害、更好地探索和利用太空,人们也迫切需要“太空天气预报”,及时监测太空环境并准确预测其变化规律。

  发生在人类生存发展的“第四环境”,空间天气深刻影响人类的地面和太空活动

  风、霜、雨、雪,是发生在地表低层大气(对流层)中的天气现象。对流层厚度不超过20千米,相比整个日地空间乃至宇宙空间的尺度,可谓薄如蝉翼。对流层以外是否也会发生各种天气现象?答案是肯定的。人们很早就发现太阳并非一成不变,而是源源不断地往外喷发物质和能量,时而平缓、时而猛烈。黑子、耀斑、日冕物质抛射等太阳活动此起彼伏,所引发的太阳风暴不断搅动着日地/太阳系空间和行星周围的环境,在太空中产生各种各样短时间尺度的变化,称之空间天气。太阳打个喷嚏,包括地球在内的各大行星就得“感冒”。强烈的太阳活动可引起灾害性空间天气。一般而言,剧烈的太阳活动会给地球空间带来“三轮打击”:大幅增强的X射线、紫外射线将以光速轰击地球,8分多钟后即可导致大气电离率增强,引发电离层的剧烈扰动;太阳高能粒子将在几小时之后到达地球附近,极大影响在地球周围运行的航天器安全;上百亿吨的等离子体从太阳表面以每秒上千公里的速度抛出,形成的日冕物质抛射事件将在几天内到达地球,引起近地空间各种环境要素的剧烈扰动。

  这种与人类日常生活所处环境大相径庭的空间环境,也被称为继大陆、海洋和大气环境之外的“第四环境”。随着科学技术进步和人类活动范围扩大,空间环境对人类生存发展的影响越发深远。现在,人类已经将上万个航天器送入太空。研究表明,大约有20%—25%的航天器故障与空间天气有关。航天员在太空中的活动更是会受到各类辐射的威胁。除了太空活动,人类在地面上的生产生活也会受到空间天气影响。高铁、电网、输油管线等高技术系统可能因地磁感应电流而损毁。电离层扰动会影响无线电通信信号的稳定性和可使用的频带范围,影响卫星导航的精度,甚至导致通信和导航设施失效。如今,自动驾驶技术蓬勃发展,但其安全性高度依赖于卫星导航定位的精度,灾害性空间天气可能导致卫星导航定位的误差变大进而引发交通事故。

  沿南北方向布局设备,子午工程一期对近地空间环境进行全方位扫描

  空间环境探测主要有天基探测和地基探测两大方式,前者主要借助卫星等航天器,后者主要借助地面设备,各有优长。考虑到地基探测具有连续、稳定、可靠、易维护、成本低等诸多优点,子午工程就采用了这种探测方式。作为大型空间环境地基监测系统,子午工程一期综合运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段,连续监测地球表面二三十千米到几百千米的中高层大气、电离层和磁层,以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、风场、密度、温度和成分等参数,在空间天气研究和预报等方面发挥重要作用。

  “子午工程”这个有趣的名字,背后蕴含科学道理。子午者,南北也。子午工程一期的大部分观测设备分布于东经120度子午线附近,即南北分布。这样布局有其物理考虑。由于带电粒子被磁力线所约束,更容易沿着磁力线的方向自由移动,就像穿在绳子上的珠子一样。而地球周围的磁力线基本呈南北走向,因此空间天气扰动沿南北方向传播演化的特征更为明显。就像古代人们利用长城烽火台传递情报信息,沿南北方向布局设备进行探测,有利于捕获扰动的传播和演化过程。随着地球的自转,子午工程沿南北方向分布的“台站链”还可实现对近地空间环境的全方位扫描。

  空间环境十分复杂,需要探测的物理参数很多。不同区域的空间环境特征不同,探测设备也多种多样。子午工程一期共建设15个观测台站、87台观测设备。它们有的庞大,有的小巧,各司其职。依据工作原理和探测对象的不同,大致可分为地磁(电)设备、光学设备和无线电设备三大类。地磁(电)设备探测的空间范围局限于设备所在的位置,衡量它们工作能力的主要指标是探测精度。地球表面的磁场约为30000nT,子午工程磁场探测的精度能够达到0.1nT,对于空间天气研究来说绰绰有余。光学设备利用大气本身发光或者对光的散射进行探测。激光雷达主动向大气发射激光束,利用望远镜接收不同高度的散射光,再通过散射光强度便可计算大气的密度、温度等参数。光学干涉仪、气辉成像仪并不发射任何信号,而是利用大气自身的发光现象探测大气的温度、风速等参数。无线电设备的主要探测对象是大气中的电离部分,分为主动和被动两类。主动无线电设备有发射装置,体积和功率往往比较大,如建设于云南曲靖的非相干散射雷达,其天线直径就有几十米,发射功率可达2兆瓦。

  二期建成后,子午工程将实现从地面对日地空间的三维立体式探测

  为实现对我国领土的覆盖,以及对中、小尺度空间天气物理过程的探测,子午工程二期应运而生。科学家们建议,除了一期工程位于东经120度和北纬30度附近的观测链,再在东经100度和北纬40度附近增加两条观测链,形成一个“井”字形网络,这便是子午工程二期的构想。

  子午工程二期增加了对太阳活动和行星际扰动的监测,超越了地球空间,这也是区别于一期工程限于近地空间的重要方面。空间天气的源头是太阳活动,从太阳表面开始追踪扰动的发生和传播过程非常重要。从太阳表面往外,电磁辐射的频率逐渐降低。子午工程二期采用多种设备以逐次接力、环环相扣的方式追踪扰动传播的过程,构成日地传播监测链(“一链”)。“井”字形布局的设备,就像网一样监测我国上空的地磁、中高层大气和电离层环境变化(“三网”)。子午工程二期还在扰动传播和发展的关键区域集中部署设备,开展更精细的探测,包括南北极区、北方中纬度区域、青藏高原和海南低纬度区域(“四聚焦”)。

  子午工程二期于2019年开工建设,目前,部分常规设备已开展观测,多台大型设备正在安装和调试。其中,位于四川稻城的圆环阵太阳射电成像望远镜、位于海南的三站式非相干散射雷达和阵列式大口径激光雷达等设备,都将成为空间探测的“国之重器”。

  子午工程二期全面建成后,独特的“一链、三网、四聚焦”架构将完整覆盖广袤的日地空间,监测太阳活动对地球的全局性影响;通过对我国疆域的较好覆盖,提升捕捉我国空间环境区域特征的关键能力。由此,子午工程将实现从地面对日地空间的三维立体式探测,连续监测日地空间环境变化,助力科学家们更好认知日地系统的整体行为、区域特征以及背后的深刻机理,大幅提升我国空间天气研究和应对空间天气挑战的能力,为航天、通信、导航等活动以及国家空间安全和战略发展保驾护航。

  (作者:王赤,为澳门赌场院士、澳门赌场国家空间科学中心主任)

打印 责任编辑:侯茜

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