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全天候“三維掃描”日地空間

時間：2025-07-22 11:04:00 科技日報 34

在位于北京懷柔的子午工程綜合信息與運控中心，科研人員在監測運行情況。

新華社記者金立旺攝圖為子午工程二期大型監測設備之行星際閃爍監測望遠鏡（無人機照片）。新華社記者馬金瑞攝

沿東經120度、西經60度兩條經線（子午線）構建一個空間天氣“監測圈”，對日地空間環境開展全天候“三維掃描”——這一科學想象即將成為現實。

近日，科學界先行發起國際子午圈大科學計劃，助力應對全球空間天氣災害。為什么要發起國際子午圈大科學計劃？該計劃的主要研究內容是什么？我國的子午工程將在該計劃中扮演怎樣的角色？帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關專家。

“第四環境”研究需國際合作

太陽和地球之間的日地空間，是人類航天活動與空間開發利用的主要區域，是與陸地、海洋、大氣并列的“第四環境”。在日地空間中，由太陽活動引發的、短時間尺度的劇烈環境變化，被稱為空間天氣。災害性空間天氣事件會對衛星、通信、導航及電力系統等關鍵基礎設施造成嚴重破壞。

“正因為空間天氣是全球性現象，才需要在廣闊的宇宙空間和全球各地進行大量觀測。而這樣的觀測，單靠一個國家的資源和力量是難以完成的，因此空間天氣的監測與研究離不開國際合作。”中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任王赤告訴記者，發起國際子午圈大科學計劃，就是為了聯合全球空間天氣監測與研究力量，聚焦空間天氣的物理過程和變化規律等，開展聯合科學攻關。

“由于具有連續、方便、可控、可信和成本低的優勢，地基探測是開展空間天氣監測與研究的最行之有效的途徑，是地球空間環境探測不可或缺的重要部分。國際子午圈大科學計劃將以地基探測為主。”王赤介紹，地基探測已經歷了“站—鏈—區域網格”的發展歷程，正向著“全球網絡化”的方向發展。

為什么要選擇沿東經120度—西經60度子午圈建設觀測設施，它有什么特別之處？

王赤介紹，與其他經線圈相比，東經120度—西經60度子午圈區域的陸地最完整，沿這條子午圈部署地基觀測設施，可實現全緯度覆蓋，形成一個閉合的地基“監測圈”。

“隨著地球自轉，國際子午圈大科學計劃的觀測設施可以對日地空間環境進行‘三維掃描’，形成不間斷的多尺度立體成像數據，實現對空間環境全緯度、全天候的立體觀測。”王赤解釋道。

解碼空間天氣過程規律

那么，國際子午圈大科學計劃的觀測設施所進行的“三維掃描”，具體想看清什么？

“該計劃旨在構建日地系統全球監測鏈，解碼空間天氣過程與規律。簡單來講，它的科學目標是認知一個系統、厘清兩類影響、破解三大難題。”中國科學院國家空間科學中心研究員張清和解釋，國際子午圈大科學計劃的主要研究對象是地球空間，“一個系統”即地球空間系統。

作為日地空間中與人類活動關系最為密切的空間區域，地球空間是指從地表100公里以上到約10個地球半徑的區域，包括高層大氣、電離層和磁層。這一區域對人類活動至關重要，特別是航天飛行、衛星通信和導航定位等領域高度依賴地球空間環境的穩定性。國際子午圈多樣化的觀測手段和全球性布局，有望為地球空間系統研究帶來前所未有的突破。

“地球空間環境就像是太陽和地球之間的一個‘夾心層’，同時受到來自天上和地上兩股力量的拉扯。”張清和說，一方面，是“天上來的影響”，當太陽活動劇烈，比如發生大爆發時，它會向地球方向噴出大量物質和能量，直接沖擊地球空間，引發破壞性空間天氣事件；另一方面，是“地上來的影響”，地球上的大地震、火山猛烈噴發、威力巨大的雷暴和強臺風等活動，會攪動地球空間環境。國際子午圈大科學計劃要厘清這“兩類影響”。

此外，國際子午圈大科學計劃還要弄清“三大難題”。“這些難題分別是空間環境全球與典型區域的多要素多時空尺度特征、太陽大氣爆發及其在日地空間的傳播和演化、空間天氣與全球氣候變化以及地球自然災害的關系。”張清和說。

子午工程提供核心基礎

國際子午圈大科學計劃如何實施？

“今年3月，國家重大科技基礎設施——子午工程二期正式通過國家驗收。至此，我國建成了國際上綜合實力最強的空間天氣地基區域監測網絡。這是國際子午圈大科學計劃實施的核心基礎。”中國科學院國家空間科學中心研究員徐寄遙說。

目前，我國的子午工程沿東經100度、120度以及北緯40度、30度這兩縱兩橫布局了31個臺站、282臺監測設備，形成對日地空間全圈層的立體式監測能力。子午工程還自主研發了一批國際領先的大型監測設備，在空間物理和空間天氣基本物理問題的研究方面發揮重要作用。

同時，子午工程建設和運行過程中，還培養了一批人才隊伍。“比如，子午工程培育并匯聚了一支在空間物理與空間天氣領域具有國際競爭力、國際視野和國際合作能力的高水平研究團隊，鍛造了一支專業技術過硬、勇于創新、具備國際水平的技術攻關隊伍，培養了一支具備大型綜合探測系統管理能力的專業化隊伍。”徐寄遙說，這為國際子午圈大科學計劃的實施奠定了扎實基礎，這批人才有望發揮核心骨干作用。

“目前，已有36個國際組織和國外科研機構與我方簽署了合作協議或確定了合作意向。”王赤介紹，國際子午圈大科學計劃將至少執行11年，搭建世界科學家廣泛參與和密切合作的平臺，完成一個太陽活動周期以上的日地空間環境探測和研究。

“全球性的布局、多樣化的觀測手段，憑借這些優勢，國際子午圈大科學計劃有望助力人類空間天氣研究取得重大突破，為提升全球空間天氣災害應對能力、共同開發利用空間資源提供科學支撐。”王赤說。