地球空間環(huán)境的野外科學觀測研究

寧百齊 李國主 胡連歡 趙秀寬

中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站 北京 100029

地球磁層、電離層和中高層大氣的擾動變化，直接影響衛(wèi)星運行安全以及人類健康。通過野外臺站探測提供實時準確的空間環(huán)境信息，可以避免空間環(huán)境劇烈變化可能對空間、地面的高技術(shù)系統(tǒng)造成嚴重影響，保障國家空間安全。開展空間環(huán)境探測可以有力地促進空間科學的發(fā)展，進而推動航天技術(shù)創(chuàng)新、拓展空間應用、服務國家經(jīng)濟社會發(fā)展和實現(xiàn)和平利用空間，對于國家可持續(xù)發(fā)展、國防及重大空間科學研究及應用都具有十分重要的意義。

北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站是 2007 年經(jīng)科技部批準建立的國家野外科學觀測研究站，隸屬于中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，是中國科學院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡骨干臺站。北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站擁有地磁、電離層和中高層大氣等多學科綜合觀測手段，以建在北京十三陵的空間環(huán)境觀測站（始建于 1985 年）為主站，并與設在漠河（始建于 1988 年）、武漢（始建于 1946 年）和三亞（始建于 1998 年）的 3 個子站，形成沿東經(jīng) 120° 子午線附近，從我國大陸北端漠河到南端三亞，緯度間隔約 10° 的均勻布局的空間環(huán)境綜合觀測研究臺鏈，具有同時觀測覆蓋我國不同緯度上空、不同空間層次（中高層大氣、電離層、磁層等）、不同空間環(huán)境參量的能力。

1 采用南北布鏈綜合觀測我國空間環(huán)境變化

北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站定位于我國空間環(huán)境（地磁、中高層大氣和電離層）地區(qū)特性與變化觀測，注重地球空間不同層次相互耦合，開展空間物理學科和應用基礎研究。強調(diào)多手段綜合鏈網(wǎng)觀測、新技術(shù)和新方法研發(fā)，以及國際聯(lián)測與合作，注重科學問題驅(qū)動的基礎研究和國家需求牽引的應用基礎研究，在觀測技術(shù)特色和創(chuàng)新以及數(shù)據(jù)共享和利用上起到表率，在我國地基空間環(huán)境觀測研究方面發(fā)揮示范作用。

在地理位置上，北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站站點分布如圖 1 所示，其經(jīng)過東亞電離層異常區(qū)域，蒙古國地磁場異常區(qū)域，電離層赤道異常區(qū)域和電離層 SQ 電流體系轉(zhuǎn)向區(qū)域，跨越典型的空間環(huán)境中緯與低緯地區(qū)，是觀測研究眾多地球與空間物理現(xiàn)象和我國空間環(huán)境擾動南北傳播特性的“黃金鏈”。在空間層次上，日地空間環(huán)境關系如圖 2 所示，北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站包括了地磁、電離層和中高層大氣多種先進的連續(xù)觀測手段，對于研究我國地球上空各圈層耦合過程具有重要意義。在學科上，觀測研究內(nèi)容綜合了地球物理學一級學科中的 2 個二級學科，具有鮮明的特色和典型的學科代表性。此外，通過對該站觀測數(shù)據(jù)的分析，對于開展我國空間環(huán)境模式和預報等研究，滿足我國空間和國防工程應用也將發(fā)揮重要作用。

北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站一直引領國內(nèi)空間環(huán)境觀測技術(shù)發(fā)展，建設了我國大陸第一臺全天空流星雷達、第一臺“北斗”電離層觀測系統(tǒng)、第一臺 VHF 電離層相干散射/全天空流星雙模雷達。目前擁有數(shù)字電離層測高儀、流星雷達、VHF 相干散射雷達、GNSS 電離層監(jiān)測儀、磁力儀和全天空氣輝成像儀等共計 90 臺套監(jiān)測設備，監(jiān)測的對象包括地磁、電離層和中高層大氣等。經(jīng)過幾十年的觀測運行，積累了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家空間數(shù)據(jù)資源。

圖 1 北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站站點分布圖

圖 2 日地空間環(huán)境

（1）電離層特性參量數(shù)據(jù)庫。武漢子站是中國最早開始常規(guī)電離層垂直探測研究的地方，最早可以追溯到 1937 年 10月。1946 年開始，武漢子站在不斷的歷史變遷中一直持續(xù)觀測至今，是國際上歷史最悠久的電離層垂測站之一，經(jīng)收集與整理形成了我國歷史最長的超過 70 年的電離層垂測數(shù)據(jù)資料，是認識我國電波傳播特性和空間環(huán)境長期變化的最寶貴的數(shù)據(jù)資源。近年來，在北京主站、漠河、武漢和三亞子站建立了一條沿東經(jīng) 120° 的電離層現(xiàn)代數(shù)字測高儀子午鏈，對于深入了解電離層南北向耦合過程具有重要科學意義；為開展空間天氣、空間氣候?qū)W研究提供了最基礎的數(shù)據(jù)支撐。

（2）全天空流星雷達中高層大氣風場數(shù)據(jù)庫。北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站從我國最北的漠河，經(jīng)北京、武漢，南至三亞建立了一條流星雷達觀測子午鏈。流星雷達觀測獲得的中高層大氣風場數(shù)據(jù)庫與電離層特性參量數(shù)據(jù)庫結(jié)合對于深入了解近地空間中能量的上下耦合、南北耦合，以及大氣層/電離層耦合，具有重要的學術(shù)意義。此數(shù)據(jù)庫也是國際上唯一一個覆蓋中緯到低緯的地基中高層大氣風場連續(xù)觀測數(shù)據(jù)庫。

（3）GNSS多衛(wèi)星系統(tǒng)電離層參量數(shù)據(jù)庫。為了綜合 GPS、GLONASS 和“北斗”三套衛(wèi)星系統(tǒng)的多系統(tǒng)優(yōu)勢來進行電離層探測，發(fā)揮“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)在中國地區(qū)的電離層探測與應用能力，北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站在我國建立了由 32 個觀測站構(gòu)成的中國 GNSS 電離層觀測網(wǎng)①http://gnss.stern.ac.cn/，獲得了大量 GNSS 三系統(tǒng)電離層監(jiān)測數(shù)據(jù)。建成國際上首個 GNSS 三系統(tǒng)（同時接收 GPS、GLONASS 和“北斗”三套衛(wèi)星系統(tǒng)信號）電離層觀測數(shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)庫為監(jiān)測和研究中國及周邊區(qū)域電離層結(jié)構(gòu)及其變化、電離層擾動傳播、電離層赤道異常峰變化和低緯電離層不規(guī)則體特性等電離層科學研究，開展電離層空間天氣的預報和預警工作，以及衛(wèi)星通信和導航等應用研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐；為我國南海及周邊地區(qū)空間環(huán)境監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保障，提升短波通訊的可靠性，提高衛(wèi)星導航定位的精度，護航“一帶一路”建設。

（4）地磁觀測數(shù)據(jù)庫。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所從 20 世紀 80 年代開始開展地磁臺站建設，先后建設了北京地磁臺、漠河地磁臺、南極長城站地磁臺、南極中山站地磁臺和三亞地磁臺。其中，北京地磁臺是我國大陸首個國際 INTERMAGNET 標準地磁臺，為國際參考地磁場 IGRF 模型修正提供基礎數(shù)據(jù)。地磁觀測數(shù)據(jù)庫對于開展地球的成因和演變過程、地球不同圈層的相互作用等研究具有重要意義。

2 通過圈層耦合揭示電離層變化性的驅(qū)動過程

地球上空約 60——1 000 公里高度范圍的電離層，是日地系統(tǒng)中能量傳輸和耗散的關鍵圈層，也是產(chǎn)生空間天氣效應的重要區(qū)域。電離層的變化性是空間物理學中的一個重大科學問題。作為一個耗散的動力學系統(tǒng)，電離層的變化主要為外部所驅(qū)動。因此，深入認識各種驅(qū)動因素的作用，并甄別不同驅(qū)動源的貢獻，是認識電離層變化性的關鍵。電離層變化性驅(qū)動過程研究，是當前空間物理學和空間天氣科學中一個重要前沿領域，同時在航天工程保障及衛(wèi)星通信、定位導航等空間應用中也有重要價值。

圍繞電離層變化性研究的科學需求，基于北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合衛(wèi)星觀測等數(shù)據(jù)，通過發(fā)展理論模式，采用數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合等研究方法，系統(tǒng)研究了大氣層-電離層耦合、磁層-電離層耦合和太陽輻射的光電離光化學 3 類最為重要的驅(qū)動過程對電離層變化性的影響和控制作用，相關成果獲得 2015 年國家自然科學獎二等獎。取得了一批具有重要國際影響的科學發(fā)現(xiàn)。

2.1 大氣層-電離層耦合過程對電離層變化性的驅(qū)動

地面附近的大氣層（對流層）中的劇烈天氣事件、巖石圈中的地震事件等釋放的能量，通過動力學和電動力學等形式向上傳輸，并最終影響電離層的變化性，這一過程被稱為“大氣層-電離層耦合”（在涉及巖石圈事件時也被稱為“巖石圈-大氣層-電離層耦合”），是理解電離層變化及能量上下耦合的關鍵環(huán)節(jié)，也是當今電離層物理中的前沿科學問題之一。圍繞大氣層-電離層耦合的科學問題，采用觀測、數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬等方法，著重研究大氣波動對電離層的作用，分析揭示了大氣波動所驅(qū)動的電離層變化特征及相關驅(qū)動過程的物理機制，系統(tǒng)揭示了（巖石圈-）大氣層-電離層耦合的若干新現(xiàn)象、新過程和新機理，為電離層變化性的研究提供了新的視角和觀點。

（1）發(fā)現(xiàn)了低緯電離層經(jīng)度 四波 結(jié)構(gòu)日變化和氣候?qū)W變化特征，揭示 四波 結(jié)構(gòu)與大氣潮汐的耦合機理（圖3）。利用全球 GPS 網(wǎng)的電離層總電子含量觀測資料，采用經(jīng)度波數(shù)譜分析方法提取電離層經(jīng)度“四波”結(jié)構(gòu)，通過分析首次系統(tǒng)揭示了電離層“四波”結(jié)構(gòu)日變化和氣候?qū)W特性（季節(jié)變化、太陽活動依賴性等）：發(fā)現(xiàn)“四波”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在午前至子夜前的時間段，波形向東漂移，漂移速度白天稍慢夜晚較快；發(fā)現(xiàn)“四波”強度春季弱、夏秋季強、冬季消失，隨太陽活動增強略有減弱，在大氣層準兩年震蕩的東風相位期間略有增強。通過與同期的衛(wèi)星觀測資料的對比分析，得出了電離層經(jīng)度“四波”結(jié)構(gòu)與高層大氣中的非遷移潮汐 DE3 模的東西風分量具有強烈的相關性（與相應的南北風分量不具相關性）。在數(shù)據(jù)分析基礎上，結(jié)合數(shù)值模擬，提出了電離層與大氣潮汐耦合的物理模型。此外，利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)了頂部電離層中電子溫度存在經(jīng)度“四波”結(jié)構(gòu)，指出了兩種“四波”結(jié)構(gòu)的強度表現(xiàn)出明顯的負相關性，提出了這兩種“四波”結(jié)構(gòu)的物理成因[1]。

圖 3 “四波”結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化、太陽活動性調(diào)制等變化特征

圖 4 震前局地電離層電子濃度異常增強

（2）發(fā)現(xiàn)了與汶川地震相聯(lián)系的局地電離層異常增強現(xiàn)象，提出了垂直電場耦合的解釋（圖4）。通過收集和分析 2008 年汶川地震期間的各種電離層觀測資料，發(fā)現(xiàn)與地震相關的局地電離層異常增強現(xiàn)象，修正了之前關于震前電離層總是減弱的流行觀點。指出了地震孕育過程中產(chǎn)生的地球表面垂直電場可以較好解釋觀測到的電離層異常增強現(xiàn)象。有關新發(fā)現(xiàn)和機理解釋成為后續(xù)地震電離層耦合研究的依據(jù)和出發(fā)點[2]。

2.2 磁層-電離層耦合過程對電離層變化性的驅(qū)動

磁暴期間，耦合進入高緯電離層的磁層能量，引起的電離層擾動向低緯和赤道傳播；映射到高緯電離層的磁層電場的強烈擾動也穿透到低緯電離層，并加劇電離層噴泉效應。磁暴時電離層變化性研究歷來是“磁層-電離層耦合”的焦點問題，也是空間天氣研究的重點內(nèi)容。圍繞磁層-電離層耦合，著重研究了超級電離層暴的產(chǎn)生和演變過程，發(fā)現(xiàn)了在特大磁暴期間電離層的超級噴泉效應和再分層結(jié)構(gòu)，揭示了不同經(jīng)度扇區(qū)電離層暴及電離層擾動的區(qū)域特性（圖5）。

（1）剖析了特大磁暴期間低緯電離層暴演化過程，揭示了超級電離層暴的形成機制。利用全球電離層雷達和 GPS 組網(wǎng)探測，發(fā)現(xiàn)了特大磁暴期間低緯電離層的“超級噴泉”效應及電離層再分層結(jié)構(gòu)。通過模式計算，證實太陽風磁場南向翻轉(zhuǎn)期間磁層亞暴連續(xù)爆發(fā)形成了長時間的阿爾芬弱屏蔽效應，從而導致強磁層電場頻繁向低緯電離層穿透。發(fā)現(xiàn)磁暴恢復相階段電離層赤道異常抑制的半球非對稱與能量注入的半球不對稱有關。通過分析非相干散射雷達資料，發(fā)現(xiàn)超大磁暴期間磁層電場夜間滲透效率值遠高于白天，從而證實了磁層電場的滲透效率和位形存在日夜不對稱性[3]。

（2）得到了特大磁暴期間電離層行進式擾動的全球分布特征。基于全球 GPS 網(wǎng)絡觀測和電離層測高儀密集布陣觀測，在時間和空間上實現(xiàn)了對磁暴期間大尺度電離層擾動的大范圍連續(xù)觀測。利用從二維精細圖像中揭示出的電離層擾動從高緯向中低緯傳播及衰減過程，首次發(fā)現(xiàn)了特大磁暴引起的電離層擾動寬達 4 000 km 的等相面，分析并提出了相關電離層擾動的西向偏移由極區(qū)電集流增強區(qū)的快速移動引起的源機制。將大尺度電離層擾動區(qū)分為極區(qū)活動激發(fā)的南向擾動、北向擾動，以及日夜交替線激發(fā)的西向擾動 3 種類型，發(fā)現(xiàn)高緯度地區(qū)擾動出現(xiàn)率呈現(xiàn)與地磁擾動相一致的變化，而低緯度地區(qū)電離層擾動受到地磁擾動和背景電離層變化雙重調(diào)制[4]。

2.3 太陽輻射及相關光化過程對電離層變化性的驅(qū)動

EUV 與 X 射線波段的太陽輻射，是電離層的電離和熱量來源，主導了電離層中的光電離及相關光化學過程，因此太陽輻射的變化（即太陽活動）會直接導致電離層的變化性，是日地關系的核心研究課題。圍繞太陽輻射及相關光化過程對電離層變化性的驅(qū)動，著重研究了電離層對極端太陽活動性的響應特性，發(fā)現(xiàn)了電離層對極端活動太陽輻射的“非線性放大響應”新類型，給出了極端寧靜太陽期間電離層異常下降的首個觀測證據(jù)，揭示了太陽輻射對電離層作用的新機理。這些成果促進了電離層的太陽活動響應的深入研究，推動了日地關系研究領域的新發(fā)展，為改進電離層模式等實際應用作出了重要貢獻。

圖 5 超級電離層暴的產(chǎn)生和演變過程

（1）系統(tǒng)認識了電離層對極端太陽活動性響應的全球特征，首次發(fā)現(xiàn)了電離層對極端活動太陽活動響應的非線性放大新類型。綜合全球多種電離層長期觀測資料，研究發(fā)現(xiàn)在冬季半球高緯地區(qū)電子密度隨太陽活動性增強而非線性放大，糾正了以往對電離層的太陽活動性響應的片面認識。通過分析改進的太陽活動指數(shù)（P 指數(shù)）與多波段太陽輻射以及電離層電離強度的相關性，從統(tǒng)計上確認新指數(shù)能更可靠地估算太陽輻射的變化，實現(xiàn)了對電離層變化更準確地定量估算。基于二次多項式回歸模型，揭示出電離層隨太陽活動性變化的類型（線性增長型、非線性飽和型、非線性放大型）與所在緯度、高度、季節(jié)和地方時的關系，首次構(gòu)建出了電離層對太陽活動性響應特征的全球圖像。研究結(jié)果對電離層空間環(huán)境的模式化和預報具有重要價值，已經(jīng)應用于電離層經(jīng)驗模式[5]。

（2）發(fā)現(xiàn)電離層對極端寧靜期間太陽活動響應變化的趨緩特征。通過對電離層全球歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)電離層電子密度和高度在太陽活動極低年（第23/24太陽活動周低年）下降到有觀測記錄以來的最低值，電離層對太陽輻射強度下降變化的響應具有變緩的特征（圖6）。分析認為此極低年期間電離層變化的主導因素是太陽極紫外輻射的下降，而非溫室效應或地磁活動。這一新認識確定了太陽輻射的長期變化對電離層長期趨勢的重要性，為電離層的長期趨勢研究提供了新思路，此發(fā)現(xiàn)引起了廣泛關注，成為一個研究熱點，國內(nèi)外多個研究小組先后加入研究，從而促進了日地關系研究領域的新發(fā)展[6,7]。

（3）揭示了電離層高度剖面對太陽活動性的依賴特征，提出了電離層隨太陽活動變化的動力學新解釋（圖7）。通過分析非相干散射雷達歷史觀測資料，揭示電離層剖面標高隨太陽活動性近似線性增長，即電離層在高度方向上隨太陽活動性增強而膨脹的特征，并提出電離層對太陽活動響應的非線性放大類型可由電離層剖面標高的增長和動力學過程引起[8]。

3 結(jié)語

野外臺站是人類認識自然現(xiàn)象、探索自然規(guī)律、追求人與自然和諧共存的重要科學觀測研究基地。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所經(jīng)過長期的建設與運行，使得北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站已初具規(guī)模，為科學研究獲得了長期、綜合和豐富的第一手資料，有效提升了我國空間科學研究的原始創(chuàng)新能力。

圖 6 太陽活動極端活躍期間電離層響應的非線性放大新類型

圖 7 極端寧靜太陽下電離層變化性

在中國科學院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡、重大科技基礎設施項目“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈”和國家重大科研儀器研制項目等支持下，北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站以空間環(huán)境中涉及的磁層、電離層、中高層大氣以及地球磁場為主要觀測和研究對象，形成多手段、多參量綜合觀測，具有同時觀測我國空間環(huán)境不同經(jīng)緯度變化、不同空間層次和不同觀測參量的能力。長期的多學科觀測研究，積累了大量的資料，不僅充實了相關學科的內(nèi)容，還為學科基礎理論和前沿問題的研究做出了重要貢獻，并將在交叉學科的創(chuàng)立和新領域的開拓方面發(fā)揮重要作用。

未來北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站將從以下 3 個方面進行重點建設：① 提升空間環(huán)境重點區(qū)域的探測能力。通過增加觀測點和綜合無線電、光學觀測手段，加強對電離層赤道異常區(qū)、低緯電離層閃爍高發(fā)區(qū)和南海地區(qū)空間環(huán)境綜合探測能力建設。② 發(fā)展和建立具有創(chuàng)新技術(shù)的空間環(huán)境大型探測設備。包括地基空間觀測最強大的探測手段-非相干散射雷達和能大范圍進行低緯電離層不規(guī)則體探測的高頻雷達。③ 完善網(wǎng)絡化綜合探測。通過與院內(nèi)外有關單位合作，開展流星雷達、電離層測高儀和空間光學觀測設備等的組網(wǎng)探測。