國際子午圈計劃推動地球空間研究

文/任麗文 魯暘筱懿 楊昉

地球空間是指位于地球與太陽系行星際之間的空間，是影響環(huán)境和氣候變化能量過程的一大未知領域，特別是位于6—1000千米高度的近地地球空間，是來自太陽和地球的能量相互作用耦合影響地球系統(tǒng)行為的關鍵區(qū)。

近地地球空間的“顯示屏”作用

近地地球空間是極端空間天氣的發(fā)軔區(qū)。極端天氣是一種太陽能量在地球空間的電磁湮滅，對經(jīng)濟乃至人類生命造成嚴重威脅。據(jù)2008年美國國家科學院的專門研究報告，如果人類有記錄的最大空間天氣事件，即發(fā)生于1859年電氣時代之前的“卡靈頓事件”，其第一年在美國造成的經(jīng)濟損失達兩萬億美元，是災難性的卡特琳娜颶風的20倍，潛在的生命損失在百萬以上。在高度電氣化和網(wǎng)絡化的今天，人類生活對技術系統(tǒng)極度依賴。空間天氣一旦對電網(wǎng)系統(tǒng)造成打擊，可能出現(xiàn)全國性癱瘓，醫(yī)院、互聯(lián)網(wǎng)、城市交通、應急系統(tǒng)，乃至耗費大量電力的大數(shù)據(jù)中心全面失靈。另一方面，大多數(shù)世界大城市的平均食品儲備僅能滿足四天需求，根本無法支撐系統(tǒng)修復所需要的數(shù)月時間，其災難性后果和一次大規(guī)模核打擊相似，遠遠超過一次九級大地震。

由于近地地球空間區(qū)位特殊，高于飛機、氣球等探測手段，又低于科學衛(wèi)星軌道高度，使得地面設備成為唯一可以全面探測研究該領域的手段。對這一系統(tǒng)開展全面的科學觀測，需要在地球表面盡可能多的網(wǎng)點部署科學儀器，并利用現(xiàn)代網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)技術將科學儀器串接起來，形成一個持續(xù)的全球性觀測能力，從地球表面到數(shù)千千米高度的地球空間，對環(huán)境與氣候變化的關鍵要素和物理機制開展多學科研究。

通過觀測研究，近地地球空間可以成為一個類似等離子體顯示屏的媒介。上部的太陽、行星際、外地球空間，下部的地殼、海洋和低層大氣的運動和天氣現(xiàn)象，通過各種耦合方式在這個屏幕上留下映像。通過對這些映像的分解和反演，我們可以形成對上部和下部驅(qū)動過程的狀態(tài)描述和預測，建立對相關自然災害的預報預警能力。例如，空間天氣災害的前兆可以通過對極光、地磁信號的監(jiān)測獲取。地震和大氣災害可以通過電離層電子密度的變化和波動形態(tài)追蹤。

地球電離層和高層大氣好比一個顯示屏，如“地磁場變化”“地震活動”“溫室氣體”等都可通過這個顯示屏顯示出來

國際子午圈大科學計劃

國際子午圈大科學計劃由中國科學家提出并主導，以我國子午工程為核心，聯(lián)合東經(jīng)120°、西經(jīng)60°子午圈沿線十余個國家千余臺各類儀器，對地球空間系統(tǒng)進行全緯度、全天候觀測。

其科學目標是將地球空間、地球大氣、地表各圈層作為整體系統(tǒng)，開展全球多要素綜合觀測，深入研究地球系統(tǒng)物質(zhì)在太陽和地球活動的雙重驅(qū)動下的運動規(guī)律，揭示空間天氣與全球變化的相互影響，為應對地球災害和國家空間安全決策提供科學依據(jù)。

子午圈北延臺站示意圖

在國際和國內(nèi)科學工作組共同努力下，國際子午圈計劃項目進展順利，在本領域國內(nèi)外科學團體中達成了共識，凝練了科學目標，同時進行了科學深化工作。國際合作和推進方面，國際子午圈論壇得到國際科學界的積極響應和支持。

目前，國際子午圈計劃項目的先行示范及相關國際合作進展順利。在2012年國家國際科技合作專項“國際空間天氣子午圈計劃（一期）”、2018年北京市科委課題“國際子午圈大科學計劃深化論證及示范”課題、2021年中科院國際伙伴計劃以及“中巴空間天氣聯(lián)合實驗室”“中俄空間天氣聯(lián)合實驗室”等渠道的支持下，我國與子午圈上主要國家合作進行了一系列的科學研究、聯(lián)合探測活動：中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心運行良好；中國—巴西空間天氣聯(lián)合實驗室、中國科學院南美空間天氣實驗室運行良好；太陽風—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）合作進展順利，預計將于2024年發(fā)射；中意電磁監(jiān)測衛(wèi)星合作進展順利：2018年“張衡一號”01星電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星成功入軌運行，“張衡一號”02衛(wèi)星工程處于初步設計階段，預計2022年發(fā)射入軌；我國與法國、英國等國開展了跨越歐非子午線的歐非鏈的預先研究等。

國際子午圈計劃項目已經(jīng)與國際科研機構(gòu)和國際組織達成眾多合作意向：與巴西（巴西國家空間研究院）、俄羅斯（伊爾庫斯克日地物理研究所和極地研究所）、美國（麻省理工學院、加州大學洛杉磯分校）、加拿大（加拿大空間局）、泰國（國家天文研究所）、法國（國家研究中心、巴黎天文臺、比利牛斯天文臺）、澳大利亞（阿德萊德大學），以及國際日地物理委員會（SCOSTEP）、歐洲非相干散射雷達組織（EISCAT）等10多個國家的20多個機構(gòu)以及國際組織建立合作關系，簽署系列合作協(xié)議和備忘錄。

近期將與亞太空間合作組織（APSCO）達成初步合作意向，擬利用APSCO多邊平臺的優(yōu)勢，共同促進國際子午圈計劃在東南亞的合作。目前，工作組正在制訂國際子午圈與SMILE衛(wèi)星聯(lián)合探測計劃，針對極區(qū)空間環(huán)境進行聯(lián)合探測。同時，國際子午圈聯(lián)合探測工作組已經(jīng)制訂了2021年國際聯(lián)合探測計劃，將根據(jù)空間天氣預報情況適時啟動聯(lián)合探測。

位于懷柔科學城的國際子午圈總部大樓正在建設中，預計2022年竣工。

中俄加強科技合作

俄羅斯地域廣闊，具有高緯度的觀測優(yōu)勢，有著很長時間的、連續(xù)不斷的電離層監(jiān)測數(shù)據(jù)。我國北方至俄羅斯北部，包括亞極光帶的中高緯地區(qū)，會受到來自北極區(qū)極端空間天氣的影響，同時也是電離層高中低緯耦合與擾動傳播的重要場所。在空間天氣發(fā)生強擾動的條件下，北極電離層眾多動力學過程和不均勻體結(jié)構(gòu)均可直接膨脹或傳輸?shù)皆搮^(qū)域，直接影響該區(qū)域的電離層狀態(tài)，嚴重干擾通信導航、航空航天、超視距雷達探測等活動。該區(qū)域作為我國空間環(huán)境的上游也是極區(qū)空間天氣擾動沿子午線傳播到我國中低緯地區(qū)的必由之路。對該地區(qū)的大范圍、全程監(jiān)測不僅對電離層南北耦合等重大科學問題非常重要，也為我國的電離層擾動預報預警提供支撐，對我國空間天氣研究和監(jiān)測有重要意義。同時，地磁北極正在加速（55千米/年）向俄羅斯移動，俄中受空間天氣事件的影響將加大。

俄羅斯的空間天氣地基監(jiān)測設備主要由俄羅斯科學院以及幾所開展空間天氣、空間物理研究的大學建設，監(jiān)測要素包括太陽監(jiān)測、電離層監(jiān)測、宇宙線監(jiān)測、中子監(jiān)測、中高層大氣監(jiān)測、地磁場監(jiān)測等。西伯利亞的太陽射電望遠鏡是俄羅斯最大的天文監(jiān)測設備，專為5.7Hz波段范圍內(nèi)的太陽活動而設計，并且能觀測到整個日盤。大太陽真空望遠鏡用于觀測高空間分辨率的太陽大氣結(jié)構(gòu)。俄羅斯在地磁觀測方面具有長久的歷史和得天獨厚的優(yōu)勢，擁有完備的地磁觀測臺網(wǎng)，有十多個地磁臺站及幾十臺地磁設備，其地磁觀測具有多手段、長周期、大跨度等特點。俄羅斯的電離層觀測也很發(fā)達，多個綜合觀測臺站設有電離層數(shù)字測高儀和非相干散射雷達等探測設備。在北極圈附近建立的綜合觀測臺站，對極區(qū)的極光以及電離層參數(shù)、大氣溫度和風場進行了常年的觀測。

環(huán)極區(qū)鏈示意圖

中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心是中國科學院、俄羅斯科學院為開展空間科學合作而建立的聯(lián)合研究機構(gòu)。1999年10月，中國科學院與俄羅斯科學院西伯利亞分院在北京簽訂科技合作協(xié)議。經(jīng)中國科學院領導和有關部門批準，2001年中俄空間天氣聯(lián)合研究中心正式成立，旨在協(xié)調(diào)和加強中國與俄羅斯空間天氣研究人員在空間天氣研究和預報領域的科技合作。

以中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心搭建的合作平臺為基礎，通過中俄科學家的不斷努力，充分利用雙方空間天氣觀測的地域優(yōu)勢（從低緯延伸到高緯）和各自的經(jīng)驗，已共同組織基金委中俄合作與交流項目、中國科學院特別交流計劃、中科院俄烏白特別交流計劃和俄羅斯基礎研究基金會合作交流項目等一批國際合作項目，促進了兩國空間天氣事業(yè)的發(fā)展，也為世界空間天氣研究的發(fā)展作出了重要貢獻。

未來：子午圈北延與環(huán)極區(qū)鏈

未來將推動子午圈北延：第一步以子午工程為基礎形成與俄方臺站已有監(jiān)測儀器的定期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)共享機制。第二步針對俄方監(jiān)測空白，部署新監(jiān)測設備，在伊爾庫斯克（Irktsk）、諾里爾斯克（Norilsk）、日甘斯克（Zhigansk）、雅庫茨克（Yakutsk）站點部署中高層大氣光學成像設備。目前，已與俄羅斯伊爾庫斯克日地物理研究所達成合作意向，并完成了站點前期考察和準備工作。第三步形成聯(lián)合探測、研究機制。

雙方也將致力于環(huán)極區(qū)鏈建設：與俄羅斯科學院共同完成8個臺站地磁地電與大氣電場設備部署，構(gòu)成東半球環(huán)北極鏈。在120°E子午鏈上的伊爾庫茨克、雅庫茨克、提可西等站點建立光、電、磁近地空間環(huán)境探測設備，在提可西站建立綜合性空間環(huán)境探測臺站。從科拉半島到馬格丹的環(huán)北極鏈建立近地空間環(huán)境探測網(wǎng)，用于配合SMILE衛(wèi)星地基協(xié)同探測。目前雙方已經(jīng)達成合作意向，等待簽署正式協(xié)議。