子午工程：探祕人類生存發展的“第四環境”
[ 摘要 ]陸地、海洋、大氣層之外，受地球磁場影響的地球空間系統，被認為是人類生存和發展的“第四環境”。
晴朗的夜空下，一黃一綠，兩束平行的光柱從地面直刺蒼穹。這不是燈光秀，而是科研人員在做觀測實驗。光柱的源頭，是子午工程設在北京市延慶縣大榆樹鎮大泥河村的觀測站點。
“只要天氣好，我們便開啟鐳射雷達裝置，對中高層大氣的風場、密度、溫度和成分進行探測。”子午工程鐳射雷達副主任設計師王繼紅在接受科技日報記者採訪時說。
全稱為“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”的子午工程，是我國空間科學領域首個國家重大科技基礎設施專案，也是科學家們為探祕“第四環境”佈下的“地網”。包括延慶站在內的多個觀測臺站，組成了子午工程的“耳目尖兵”。
“耳聰目明”的地基監測網
陸地、海洋、大氣層之外，受地球磁場影響的地球空間系統，被認為是人類生存和發展的“第四環境”。太陽系宜居帶的三大行星中，只有地球具有磁場。
上世紀50年代，人類走出地球探索太空, 最初的發現之一就是地球大氣之外的地磁圈。在以億年計的宇宙時間尺度上，磁場對大氣演化起著主導作用，進而也是生命起源的一大要素。
而從較短的時間尺度來看，比如從分鐘到天，地球磁場向地球傳遞來自太陽爆發性活動的能量，觸發災害性空間天氣現象，對航天系統、電力能源系統等產生嚴重影響。
太陽上發生的擾動如何經過浩瀚的行星際空間傳播到地球空間，進而如何影響地球空間環境？“瞭解災害性空間天氣的脾氣，探索其背後的規律，是子午工程的主要科學目標。”子午工程專案總工程師王赤說。
事實上，我國較早開始了對空間環境的地基監測，但過去的地基監測多是單個臺站進行孤立的監測，沒有形成協調統一的觀測體系。2012年10月，子午工程正式建成執行，改變了這一局面。
據介紹，沿著東經120°子午線附近至北向南，從漠河到海南，並延伸到南極中山站，在北緯30°緯度線附近由東向西，從上海至拉薩，子午工程利用15個監測臺站，構建起一個以鏈為主、鏈網結合的大型地基空間環境監測系統。
子午工程創造了多項世界之最。驗收專家組給出的高度評價，令王赤記憶猶新。專家們認為，子午工程是目前國際上監測空間範圍最廣、地域跨度最大、監測空間環境物理引數最多、綜合性最強的地基空間環境監測網。
綜合運用無線電、地磁、光學和探空火箭等多種探測手段，子午工程可以連續監測地球表面20—30公里以上直到幾百公里的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環境引數。
對空間天氣擾動形成新認識
執行以來，子午工程積攢了不少資料家底。據統計，截至2018年9月底，子午工程已獲取64種空間環境引數，超過1500萬個資料檔案，近5TB的監測資料。
更重要的是，科學家們利用子午工程獲取的大量資料，在我國上空空間環境特徵研究，以及地球空間各個圈層之間的耦合研究等方面取得了一些新認識。
“藉助子午工程，我們第一次觀測到我國上空空間環境對太陽風暴的大範圍響應和傳播過程，首次發現空間天氣事件從低緯向高緯傳播的新現象。”王赤表示。
如果只有單一的觀測站點，只能瞭解區域性的情況，難以認識空間天氣在一定地域範圍內的傳播過程。而依靠部署在一縱一橫兩個維度的多個站點，子午工程可以一覽空間天氣事件在站點鏈上傳播和演化的全貌。
事實上，“第四環境”並非孤立存在的。地磁圈和地球表面岩石圈、水圈，以及地球大氣層、電離層一直在相互發生耦合作用。各個圈層之間相互作用的機理，也一直是國際學術界關注的前沿科學問題。
地殼板塊劇烈運動產生的擾動，可以沿著磁場向上通過大氣層傳到電離層，形成整體波動現象。“比如，日本發生了一次大的地震，地震波如何傳播到電離層，電離層會有什麼樣的反應，電離層的反應又是如何反饋到磁層的？”王赤介紹，利用多學科交叉的探測手段，在認識不同圈層耦合的關鍵環節和物理過程方面，子午工程也取得了重要的進展。
此外，子午工程還大幅提升了我國在國際空間科學領域的地位與影響力。2012年8月釋出的《美國太陽與空間物理十年發展戰略規劃》中將以子午工程為基礎的國際子午圈計劃列為重要的大型國際合作專案。
為航天活動保駕護航
在基礎研究領域取得進展的同時，子午工程還為我國航天活動如天宮一號、神舟八號、神舟九號的發射，以及交會對接等任務提供了大量的資料支撐服務。
和地球天氣一樣，空間環境也常常會出現一些突發的、災害性的空間天氣變化，有時會使衛星執行、通訊、導航和電力系統遭到破壞。
以航天系統為例，一旦發生災害性空間天氣，會導致數天內恆星定位系統無法工作，影響姿態控制；航天器表面充放電事件頻發，引起控制訊號紊亂；太陽能電池嚴重退化甚至毀損等。
因此，及時準確的空間天氣預報，對航天活動的重要性不言而喻。據介紹，基於子午工程等重大設施，研究團隊圍繞空間天氣物理過程、預報模式等取得了一批原創性成果，初步構建了我國空間天氣數值預報模式，為載人航天、探月工程等提供了及時、高效的空間天氣預報服務。
天宮二號發射前，中科院空間環境研究預報中心開展了為期半年的天宮二號發射視窗安全期預報，對太陽黑子數、質子事件等進行了長期預報。在天宮二號發射至神舟十一號飛船順利返回地面的過程中，工作人員24小時不間斷進行空間環境監測，每天提供3次預報產品。針對交會對接任務高精度的軌道預測需求，提供空間環境引數預報產品。
“提供高精度、高時變的空間天氣數值預報是我們努力的方向。在國際空間環境服務機構的16個區域預警中心裡，我們的綜合預報能力位居前列。”王赤說。
建成執行6年多來，子午工程圍繞科學目標和支撐應用方面取得的進展令王赤感到欣慰。今年2月，子午工程二期專案獲得了國家發改委的可行性研究報告批覆，目前正在進行初步設計工作。