謝華

子午工程，是我國(guó)大型的“地基”空間環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也可以理解為“空間天氣觀測(cè)站”。只是，它預(yù)報(bào)的不是風(fēng)雨溫濕這些距地10千米以內(nèi)的低層大氣的變化，而是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)距地20～30千米以上空間的影響。這與我們的日常生活關(guān)系大嗎？我們?yōu)槭裁匆P(guān)心這個(gè)問(wèn)題？下面，讓我們一起回顧歷史，看看空間天氣對(duì)人類科技活動(dòng)、生產(chǎn)活動(dòng)以及日常生活的影響吧。

歷史上的三個(gè)大事件

1. 1859 年卡靈頓事件

1859年9月2日午夜過(guò)后，北美洛基山上的露營(yíng)者被一場(chǎng)罕見的“極光秀”驚醒，紅色、綠色的光帶交相輝映，照亮了整個(gè)蒼穹。

事實(shí)上，這場(chǎng)堪稱“有生之年”系列的大秀從5天前就開始了，而且從北美到南美，從歐洲到亞洲，都在上演。中國(guó)的《欒城縣志》中曾經(jīng)記載：（清咸豐）“巳未九年...... 秋八月癸卯夜，赤氣起于西北，亙于東北，平明始滅”。記載日期剛好對(duì)應(yīng)1859年9月2日，欒城縣位于我國(guó)河北省（北緯38°左右），并非極地。

接下來(lái)的事情十分“詭異”——?dú)W洲和北美之間的電報(bào)系統(tǒng)中斷，有發(fā)報(bào)人員遭到電擊，部分電報(bào)站斷電了但是仍然可以發(fā)報(bào)。巧合的是，就在一天前（9月1日），英國(guó)一位業(yè)余天文學(xué)家理查德·卡靈頓首次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)耀斑，并記錄了它的變化過(guò)程。當(dāng)時(shí)他還不能確定太陽(yáng)耀斑現(xiàn)象與地球上的極光異常、電磁干擾有關(guān)，后來(lái)科學(xué)家證實(shí)了它們的相關(guān)性。這次事件后來(lái)被稱為“卡靈頓事件”。

2. 1989 年魁北克事件

1989年3月13日星期一，加拿大魁北克市，氣溫只有-8～0℃。凌晨2時(shí)45分，市民們還在沉沉的睡夢(mèng)中。突然，一股巨大的電涌滲透入魁北克水電公司的電網(wǎng)，燒毀了一個(gè)主線路上的變壓器，90秒之內(nèi)，電網(wǎng)崩潰，整個(gè)城市迅速陷入一片黑暗，600萬(wàn)人從寒冷中醒來(lái)。當(dāng)?shù)卣昧?個(gè)多小時(shí)才恢復(fù)電力，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾千萬(wàn)美元。

這次事故的始作俑者，也是一場(chǎng)太陽(yáng)爆發(fā)。據(jù)觀測(cè)，3月10日和3月12日分別發(fā)生了2次強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑。其中，3月10日的耀斑引發(fā)的日冕物質(zhì)拋射，帶著大量帶電粒子云，以300萬(wàn)千米/ 時(shí)的速度沖向地球。兩天后，高能粒子流沖破了地球磁層，形成強(qiáng)大的地磁感應(yīng)電流。正是這股電流燒毀了電網(wǎng)設(shè)備，引發(fā)了電網(wǎng)的崩潰。

所幸，這次太陽(yáng)爆發(fā)強(qiáng)度不及1859年的卡靈頓事件。但是，20世紀(jì)人類生活對(duì)電能的依賴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了19世紀(jì)，因此，這次太陽(yáng)爆發(fā)造成的后果更為嚴(yán)重。

3. 2003 年“10·28”事件

通過(guò)魁北克事件可以看出，從耀斑爆發(fā)到日冕物質(zhì)拋射到達(dá)地球，經(jīng)歷了2天時(shí)間。這是不是說(shuō)明，從太陽(yáng)爆發(fā)開始我們還有幾十個(gè)小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間？那么，就來(lái)看看2003年這次事件的時(shí)間線吧：

2003年10月28日6時(shí)24分，觀測(cè)到大型黑子群（日面中下部）;11時(shí)12分，觀測(cè)到黑子群位置上噴發(fā)出強(qiáng)大的X 射線耀斑;11時(shí)30分，觀測(cè)到遠(yuǎn)紫外日冕圖像;12時(shí)42分，大量高能帶電粒子流直撲空間探測(cè)器表面，形成雪花狀影像，說(shuō)明此時(shí)它的前鋒已經(jīng)進(jìn)入了地球空間。緊接著，高能粒子和地磁暴使46顆通信衛(wèi)星出現(xiàn)異常，日本衛(wèi)星ADEOS-2失效，GPS信號(hào)發(fā)生中斷或變?nèi)?，全球短波通信中斷，極區(qū)航班受到影響，瑞典5萬(wàn)人電力中斷。

所幸，這次太陽(yáng)爆發(fā)的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及1859年的卡靈頓事件。否則，極有可能造成全球范圍的斷電和通信中斷，數(shù)小時(shí)內(nèi)無(wú)法恢復(fù)，繼而造成衛(wèi)星器件故障，導(dǎo)航信號(hào)錯(cuò)亂，由此引發(fā)交通中斷、航運(yùn)失聯(lián)、銀行停業(yè)、超市關(guān)門...... 那將會(huì)是一場(chǎng)難以想象的巨大災(zāi)難。

太陽(yáng)活動(dòng)的威力

太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的影響，首先表現(xiàn)在超強(qiáng)耀斑爆發(fā)的時(shí)候，輻射會(huì)驟然增強(qiáng)，以光速直接進(jìn)入地球的電離層和高層大氣，干擾無(wú)線電信號(hào)。隨后，帶電粒子流到達(dá)磁層，沖破地球磁場(chǎng)后，可直接對(duì)衛(wèi)星上的器件、太陽(yáng)能電池，甚至對(duì)宇航員的生命安全帶來(lái)危害。最后，日冕物質(zhì)拋射出的高能量的等離子體云會(huì)劇烈擾動(dòng)地磁場(chǎng)，形成地磁暴，生成感應(yīng)電流，破壞地面的電網(wǎng)和通信設(shè)施，當(dāng)然也會(huì)在轟擊高層大氣時(shí)生成絢麗的極光。

這種“低頻高?！钡摹疤鞛?zāi)”多久發(fā)生一次呢？據(jù)專家評(píng)估，超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴每500年發(fā)生一次。我們很難預(yù)測(cè)下一次什么時(shí)候到來(lái)，但是我們可以確定，它一定會(huì)來(lái)。

我們做好準(zhǔn)備了嗎，我們是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它何時(shí)爆發(fā)，何時(shí)到達(dá)，在地球空間的傳播效應(yīng)是怎樣的呢？答案是，仍有許多未解之謎。要解決這些科學(xué)難題，首先就要有長(zhǎng)期的全方位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)——這就是子午工程要做的事。

子午工程建設(shè)

子午工程是國(guó)家級(jí)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心為項(xiàng)目的法人單位，中國(guó)科學(xué)院、教育部、中國(guó)氣象局、工業(yè)和信息化部、中國(guó)地震局、自然資源部等多部委的十多家單位參加建設(shè)。從1993年開始構(gòu)想，經(jīng)過(guò)預(yù)研、一期、二期，至今已經(jīng)歷時(shí)28年。項(xiàng)目的總指揮為中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家空間科學(xué)中心研究員王赤。

子午工程一期，于2008年1月啟動(dòng)，總投資1.7億元，2012年10月驗(yàn)收完工。工程沿著東經(jīng)120°子午線附近，北至黑龍江漠河，南到海南島，并延伸到南極中山站，以及沿北緯30°附近，東起上海，西至拉薩，利用15個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站共87臺(tái)/ 套監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建起一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型地基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

子午工程二期于2019年7月啟動(dòng)，目前還在建設(shè)中。二期將在一期的基礎(chǔ)上，新增16個(gè)臺(tái)站、195臺(tái)/ 套設(shè)備，分布在東經(jīng)1 0 0°和北緯4 0°沿線， 與一期臺(tái)站（東經(jīng)120°，北緯30°）形成“井”字形布局。建成以后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將形成“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的體系架構(gòu)，將在全球首次實(shí)現(xiàn)對(duì)日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測(cè)，使我國(guó)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)與研究能力領(lǐng)跑世界。

系統(tǒng)組成和架構(gòu)

子午工程由三大系統(tǒng)組成，分別是空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（進(jìn)行數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（負(fù)責(zé)支撐臺(tái)站與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分發(fā)、處理、服務(wù)等）和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)（用于支撐研究、預(yù)報(bào)、交叉應(yīng)用等）。

子午工程的科學(xué)目標(biāo)與成果

古有屈原對(duì)天發(fā)問(wèn)，今有子午布網(wǎng)探測(cè)。

千百年來(lái)，人類對(duì)于宇宙空間的追尋與求解，從未停止。地基監(jiān)測(cè)是人類了解廣袤的地球空間環(huán)境，認(rèn)識(shí)其復(fù)雜變化規(guī)律的重要手段之一。近幾十年來(lái)，隨著人類航天活動(dòng)對(duì)空間環(huán)境的依賴日益凸顯和多手段探測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，空間環(huán)境的地基監(jiān)測(cè)煥發(fā)出新的生機(jī)。

子午工程正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，是目前世界上覆蓋區(qū)域最廣（高中低緯度）、探測(cè)手段最多、監(jiān)測(cè)空間環(huán)境物理參數(shù)最多、探測(cè)綜合能力最強(qiáng)的空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

一方面，它全方位監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)在我國(guó)上空的響應(yīng)和傳播，為航天航空、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)提供環(huán)境報(bào)告;另一方面，它進(jìn)一步探究地表、地球大氣層、電離層、磁層、行星際和太陽(yáng)大氣之間的相互耦合作用、能量傳輸過(guò)程、演化和擾動(dòng)規(guī)律等。

2010年8月20日，子午鏈臺(tái)站第一次觀測(cè)到我國(guó)上空空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的響應(yīng)，參與觀測(cè)的有44臺(tái)設(shè)備，包括Overhauser 磁力儀、磁通門經(jīng)緯儀、磁通門磁力儀、感應(yīng)式磁力儀、大氣電場(chǎng)儀、地電場(chǎng)儀、數(shù)字測(cè)高儀、宇宙線監(jiān)測(cè)中子堆、閃爍體望遠(yuǎn)鏡、激光雷達(dá)、光學(xué)干涉儀和全天空氣輝成像儀等，給出了地球空間磁層頂和弓激波的位置和形狀，確認(rèn)了同步軌道衛(wèi)星尚在磁層的保護(hù)之下，電離層越極電位降約為180千伏，高緯度地區(qū)上空可能存在比較強(qiáng)的電流，但還不足以對(duì)地面設(shè)備造成顯著影響。

2011年9月，天宮一號(hào)發(fā)射前期，恰值太陽(yáng)活動(dòng)高峰年臨近，太陽(yáng)風(fēng)頻繁吹襲地球，磁暴活動(dòng)、耀斑、日冕物質(zhì)、太陽(yáng)質(zhì)子活動(dòng)都日益增多。子午工程動(dòng)用77臺(tái)設(shè)備，進(jìn)行了為期一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲取不同緯度的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確認(rèn)了發(fā)射日當(dāng)天地磁和宇宙線均不會(huì)對(duì)發(fā)射產(chǎn)生影響，為天宮一號(hào)的發(fā)射完成了保駕護(hù)航。

2021年3月，《自然-物理》雜志上發(fā)表了山東大學(xué)空間科學(xué)研究院劉晶教授團(tuán)隊(duì)的科研成果。他們分析多個(gè)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應(yīng)足以影響包括廣袤磁層在內(nèi)的整個(gè)地球空間，而不僅局限于先前科學(xué)界認(rèn)為的高層大氣區(qū)域。耀斑發(fā)生時(shí)，突然增強(qiáng)的太陽(yáng)輻射導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率迅速增加，增強(qiáng)了“鎧甲”磁層抵御太陽(yáng)風(fēng)的能力，使太陽(yáng)風(fēng)“擊穿”磁層進(jìn)入地球空間變得更加困難，從而減少太陽(yáng)風(fēng)和磁層向地球高空大氣（10千米到幾百千米高度的大氣）的能量注入。也就是說(shuō)，耀斑發(fā)生時(shí)，地球磁層成為避免地球受太陽(yáng)風(fēng)影響的“自我保護(hù)”屏障。

子午工程前景展望

在子午工程的基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)家又發(fā)起了“國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃”，聯(lián)合子午圈（東經(jīng)120°，西經(jīng)60°）上的國(guó)家和地區(qū)，發(fā)展多臺(tái)站交叉的協(xié)同監(jiān)測(cè)能力，建立數(shù)據(jù)共享和人才培養(yǎng)平臺(tái)，促進(jìn)整個(gè)地球空間系統(tǒng)多圈層耦合研究，提高共同應(yīng)對(duì)空間天氣災(zāi)害的能力。

作為我國(guó)空間科學(xué)領(lǐng)域唯一的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為進(jìn)一步促進(jìn)子午工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的開放共享，不斷提升設(shè)施的科技創(chuàng)新能力，子午工程數(shù)據(jù)已于2021年6月在CSCD 核心期刊《中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)》上正式出版。

因?yàn)樽游绻こ痰慕ⅲ袊?guó)走在了空間科學(xué)探索的前列。