雄偉的“空間長(zhǎng)城”——子午工程

在大氣層外的星際空間，存在著太陽(yáng)風(fēng)、磁暴等空間天氣災(zāi)害，會(huì)對(duì)航天器造成重大影響。如何有效監(jiān)視太空中的“風(fēng)雨雷電”，織一張大網(wǎng)守護(hù)我國(guó)的空間裝置呢？堪稱(chēng)“空間長(zhǎng)城”的子午工程當(dāng)仁不讓。

子午工程，又稱(chēng)“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”，是我國(guó)空間科學(xué)領(lǐng)域首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國(guó)“十一五”期間首個(gè)啟動(dòng)并建成的大科學(xué)裝置。雖然名氣很大，但因?yàn)楹腿粘Ｉ畋容^遙遠(yuǎn)，很多人不太了解它，甚至不知道它的存在。今天，我們就來(lái)聊一聊子午工程。

何為子午工程

在古代，人們以子為正北，以午為正南，子午就是南北的意思。在現(xiàn)代，子午用來(lái)稱(chēng)呼地球南北向的經(jīng)度。從古至今，子午都跟方向有關(guān)，而子午工程，同樣是跟方向有關(guān)的工程。子午工程一期就是由一批位于東經(jīng)120°附近、有一定基礎(chǔ)的空間觀測(cè)臺(tái)站組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

空間天氣預(yù)報(bào)

說(shuō)起天氣，很多人會(huì)想到風(fēng)、霜、雨、雪等常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象。其實(shí)，這些只是發(fā)生在低層大氣中的天氣現(xiàn)象。在浩瀚的宇宙中還有其他天氣現(xiàn)象，它們和太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。

在我們的印象里，太陽(yáng)每天從東方升起，往西方落下，周而復(fù)始，為我們帶來(lái)光和熱。事實(shí)上，太陽(yáng)遠(yuǎn)沒(méi)有我們看到的這么平靜。太陽(yáng)上會(huì)出現(xiàn)黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動(dòng)，這些活動(dòng)會(huì)使近地空間環(huán)境發(fā)生變化。

太空中的航天器受空間天氣的影響很大，會(huì)因?yàn)閯×业奶?yáng)活動(dòng)而面臨更多輻射威脅。不少地面設(shè)備也會(huì)因劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)遭殃。比如，太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)引發(fā)地球電離層擾動(dòng)，影響無(wú)線電通信，甚至導(dǎo)致通信設(shè)備失效。子午工程就是監(jiān)測(cè)近地空間環(huán)境并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)空間天氣的利器。

子午工程的誕生

關(guān)于子午工程的起源要從30多年前說(shuō)起。1993年，我國(guó)著名空間物理學(xué)家魏奉思在制訂我國(guó)空間物理發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃時(shí)，提出了建立東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測(cè)子午鏈的構(gòu)想。1年后，我國(guó)科學(xué)家共同起草了子午工程項(xiàng)目建議書(shū)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審核，子午工程于1997年被正式確定為國(guó)家重大科學(xué)工程。之后，經(jīng)過(guò)10余年的籌劃，子午工程最終于2008年正式開(kāi)工建設(shè)。

想在地面上建設(shè)一個(gè)龐大的監(jiān)測(cè)網(wǎng)并不容易，為了讓子午工程順利從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，建設(shè)團(tuán)隊(duì)聚集了我國(guó)地質(zhì)與地球物理、空間天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)警領(lǐng)域頂尖科學(xué)家的力量，總投資近2億元。

如此龐大的工程，在建造過(guò)程中自然會(huì)遇到很多困難。比如，子午工程一期建設(shè)涉及20多個(gè)門(mén)類(lèi)的90多臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備有的直徑接近50米，有的僅有路由器大小，有的需要在已有基礎(chǔ)上改造，有的需要從零開(kāi)始建造……建設(shè)團(tuán)隊(duì)要讓這些大小不一、形制不同、數(shù)據(jù)種類(lèi)各異的設(shè)備相互配合，可謂困難重重。除了建造方面的困難，建設(shè)團(tuán)隊(duì)還要克服很多生活方面的困難。為了讓一些寶貴的設(shè)備遠(yuǎn)離電磁干擾，建設(shè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常要在交通不便、條件艱苦的野外安家。

當(dāng)然，這些困難并不會(huì)動(dòng)搖建設(shè)團(tuán)隊(duì)的決心。在“海納百川、勇于創(chuàng)新、精準(zhǔn)卓越、甘于奉獻(xiàn)”的子午精神激勵(lì)下，建設(shè)團(tuán)隊(duì)克服了一個(gè)又一個(gè)困難，完成了一項(xiàng)又一項(xiàng)任務(wù)。經(jīng)過(guò)4年多的不懈努力，子午工程一期最終于2012年順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

知識(shí)鏈接：中國(guó)空間物理學(xué)家——魏奉思

魏奉思的出生地是四川綿陽(yáng)豐谷鎮(zhèn)。這里盛產(chǎn)井鹽，是水路交通要道。小時(shí)候，魏奉思因?yàn)橐?jiàn)過(guò)太多纖夫和背鹽的工人，立志要成為一名機(jī)械工程師，發(fā)明機(jī)械減輕勞動(dòng)人民的負(fù)擔(dān)。高中畢業(yè)填報(bào)志愿時(shí)，魏奉思選擇了中國(guó)科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，然而收到錄取通知書(shū)時(shí)才發(fā)現(xiàn)，錄取自己的專(zhuān)業(yè)不是自動(dòng)化，而是地球物理。而后，他又在機(jī)緣巧合下被分到了新成立的空間物理系。就這樣，魏奉思走上了一條和宇宙空間有關(guān)的科學(xué)研究道路。

1993年，當(dāng)魏奉思首次提出建立東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測(cè)子午鏈的構(gòu)想時(shí)，遭到了不少人的反對(duì)。反對(duì)者們認(rèn)為這個(gè)構(gòu)想是天方夜譚。針對(duì)這部分人的說(shuō)法，魏奉思當(dāng)時(shí)的回答是科學(xué)家應(yīng)該有夢(mèng)想，如果連夢(mèng)都不敢做，那就成不了大事。在實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的道路上，魏奉思做得最多的就是堅(jiān)持。在魏奉思和無(wú)數(shù)像他一樣不輕言放棄的科學(xué)家的堅(jiān)持下，子午工程最終從夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。

業(yè)績(jī)突出的子午工程一期

目前，子午工程一期已經(jīng)投入使用。作為子午工程的“排頭兵”，子午工程一期在世界舞臺(tái)上為我國(guó)贏得了榮譽(yù)，用突出的業(yè)績(jī)回報(bào)了那些默默奉獻(xiàn)的科學(xué)家。

子午工程一期的建造

子午工程一期是一個(gè)以東經(jīng)120°和北緯30°附近的15個(gè)空間觀測(cè)臺(tái)站為基礎(chǔ)構(gòu)建的以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型地基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它是世界首條，也是目前世界上唯一一條空間環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)子午鏈。利用幾十臺(tái)不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)設(shè)備，子午工程一期可通過(guò)無(wú)線電、探空火箭等手段，對(duì)地球表面20千米以外的中高層大氣、電離層、磁層，以及十幾個(gè)地球半徑之外的行星際空間環(huán)境中的地磁場(chǎng)、電場(chǎng)等開(kāi)展連續(xù)監(jiān)測(cè)。

子午工程一期成員

子午工程一期監(jiān)測(cè)設(shè)備眾多，依據(jù)工作原理和探測(cè)對(duì)象不同，大致可以將它們分為地磁（電）設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和無(wú)線電設(shè)備三大類(lèi)。這些設(shè)備都在用自己擅長(zhǎng)的方式監(jiān)測(cè)空間環(huán)境。比如，激光雷達(dá)會(huì)向大氣發(fā)射激光束，再通過(guò)接收散射光的方式計(jì)算大氣密度、溫度等；光學(xué)干涉儀和氣輝成像儀則利用大氣的發(fā)光現(xiàn)象探測(cè)大氣溫度、風(fēng)速等；非相干散射雷達(dá)利用電磁波探測(cè)大氣中的電子密度、電子溫度、離子溫度等。值得一提的是，為了更好地預(yù)報(bào)空間天氣，子午工程一期還專(zhuān)門(mén)搭建了由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備、大屏幕會(huì)商支撐設(shè)備等構(gòu)成的空間天氣民用預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)和軍用預(yù)報(bào)保障平臺(tái)。這些平臺(tái)極大地提升了我國(guó)的空間天氣預(yù)報(bào)能力，為航天、通信、導(dǎo)航等提供了幫助。

子午工程一期的成就

從2012年正式投入運(yùn)行至今，子午工程一期已獲得了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)研究這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家獲得了一系列重大發(fā)現(xiàn)。比如，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)平靜期，極區(qū)磁層與電離層通過(guò)太空臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生高效耦合的新機(jī)制；發(fā)現(xiàn)由地震產(chǎn)生的特殊類(lèi)型的電離層強(qiáng)烈擾動(dòng)，為巖石圈、大氣層、電離層之間存在能量耦合提供了有力證據(jù)等。

子午工程一期的優(yōu)秀表現(xiàn)，極大地提升了我國(guó)在空間天氣領(lǐng)域的知名度和國(guó)際影響力。美國(guó)一知名空間天氣刊物曾對(duì)子午工程進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)道，夸贊子午工程是一個(gè)影響深遠(yuǎn)、令人震撼的項(xiàng)目。

令人期待的子午工程二期

盡管子午工程一期已經(jīng)在我國(guó)境內(nèi)搭建了一座長(zhǎng)約3000千米的“空間長(zhǎng)城”，但與我國(guó)廣袤的領(lǐng)土相比，還是顯得微不足道。為了對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行更精細(xì)的監(jiān)測(cè)與研究，我國(guó)開(kāi)始了子午工程二期的建設(shè)。

子午工程二期的布局

因?yàn)樽游绻こ桃黄诒憩F(xiàn)優(yōu)秀，子午工程二期建設(shè)計(jì)劃一提出就得到了國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃部門(mén)的肯定，并在2016年7月成功入選《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》。

子午工程二期于2019年正式開(kāi)工建設(shè)，在2023年底全面建成。子午工程二期的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要集中在東經(jīng)100°和北緯40°附近，它和子午工程一期組成了一個(gè)“井”字形觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國(guó)國(guó)土區(qū)域的基本覆蓋，提升了捕捉小尺度空間天氣現(xiàn)象的能力，能更加清晰地觀測(cè)大尺度空間天氣現(xiàn)象。

更優(yōu)秀的觀測(cè)能力

與子午工程一期只能監(jiān)測(cè)近地空間不同，子午工程二期增加了對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行直接觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，具備從太陽(yáng)到行星際空間、地球磁層、地球電離層，最后到中高層大氣的全鏈條觀測(cè)能力。除了視野更廣，子午工程二期還增加了多臺(tái)先進(jìn)的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，在探測(cè)能力上也實(shí)現(xiàn)了飛躍。比如，位于我國(guó)北方中緯地區(qū)的相控陣高頻相干散射雷達(dá)，可從我國(guó)境內(nèi)一直掃描到北極圈內(nèi)；位于海南省的陣列式大口徑激光雷達(dá)，可對(duì)1000千米高的大氣進(jìn)行探測(cè)；同樣位于海南省的三站式相控陣非相干散射雷達(dá)，具有探測(cè)低緯度電離層、流星以及空間碎片的能力。

如今，子午工程二期38個(gè)種類(lèi)的近300臺(tái)儀器正在觀測(cè)日冕、太陽(yáng)風(fēng)、磁層、輻射帶、電離層、中高層大氣，研究空間天氣的全球特征和演變規(guī)律，為應(yīng)對(duì)地球?yàn)?zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的“千眼天珠”

在子午工程二期眾多優(yōu)秀設(shè)備中，有一臺(tái)優(yōu)秀的射電望遠(yuǎn)鏡，它就是被稱(chēng)為“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡。

何為射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡跟我們常見(jiàn)的望遠(yuǎn)鏡不一樣。如果把我們常見(jiàn)的望遠(yuǎn)鏡比作千里眼，射電望遠(yuǎn)鏡則更像順風(fēng)耳。射電望遠(yuǎn)鏡的主要工作方式不是看而是聽(tīng)，它們會(huì)接收宇宙中微弱的射電信號(hào)，并將信號(hào)聚焦、放大后傳輸給其他儀器分析，以幫助科學(xué)家探索宇宙的奧秘。因?yàn)榻邮招盘?hào)需要安靜的環(huán)境，所以射電望遠(yuǎn)鏡基本上都建在人跡罕至的地方。

規(guī)模龐大的“千眼天珠”

圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡由313臺(tái)直徑為6米的天線構(gòu)成。這些天線均勻分布在直徑1000米的圓環(huán)上，圓環(huán)的中心是一座可以為整個(gè)觀測(cè)鏈路提供定標(biāo)基準(zhǔn)的定標(biāo)塔。因?yàn)檫h(yuǎn)遠(yuǎn)望去仿佛一顆墜落山間的寶珠，所以，圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡又被當(dāng)?shù)鼐用裥蜗蟮胤Q(chēng)為“千眼天珠”。它于2019年開(kāi)始建設(shè)。由于建設(shè)規(guī)模大、研制難度高，為了降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)項(xiàng)目采用了“三步走”建設(shè)方案：第一步，試水，先建設(shè)2座天線；第二步，擴(kuò)大規(guī)模，建成16座天線，開(kāi)展驗(yàn)證研制；第三步，在前兩步都順利完成后，啟動(dòng)大系統(tǒng)建設(shè)。

“千眼天珠”的工作

“千眼天珠”的主要工作是監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，對(duì)空間天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)警。除了監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，“千眼天珠”還能提供天象觀測(cè)服務(wù)。憑借大視場(chǎng)、高質(zhì)量成像能力，它可助力科學(xué)家完成對(duì)脈沖星、射電暴等天象的觀測(cè)任務(wù)。值得一提的是，本著“邊建設(shè)、邊調(diào)試、邊運(yùn)行”的原則，“千眼天珠”還未竣工就投入使用了，目前已提供了大量太陽(yáng)活動(dòng)的圖像和數(shù)據(jù)。按照計(jì)劃，“千眼天珠”日后還會(huì)與羲和號(hào)、夸父一號(hào)等太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星合作，為我們奉上更精準(zhǔn)的空間天氣預(yù)報(bào)。除了本職工作，“千眼天珠”還吸引了大批游客前來(lái)參觀，讓當(dāng)?shù)爻闪颂煳目萍悸糜涡碌貥?biāo)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

默默付出的建設(shè)團(tuán)隊(duì)

為了建設(shè)“千眼天珠”這個(gè)國(guó)之重器，建設(shè)團(tuán)隊(duì)克服了很多困難。比如，為了確保定標(biāo)塔發(fā)出的電磁波到達(dá)圓環(huán)陣上每臺(tái)天線時(shí)的相位基本一致，所有觀測(cè)天線的位置誤差要控制在2毫米以?xún)?nèi)。這個(gè)要求看似簡(jiǎn)單，其實(shí)很難，因?yàn)橐巴獾拇箫L(fēng)會(huì)讓天線和定標(biāo)塔晃動(dòng)。建設(shè)團(tuán)隊(duì)用了半年時(shí)間，才研制出具有重量輕、剛度高、風(fēng)載荷小等多種優(yōu)點(diǎn)的天線，解決了這個(gè)難題。除了建造困難，建設(shè)團(tuán)隊(duì)還要適應(yīng)惡劣環(huán)境?！扒а厶熘椤钡募椅挥诤０?800米的高原上，這里氧氣含量低、紫外線強(qiáng)烈。建設(shè)團(tuán)隊(duì)在如此艱苦的環(huán)境中，依然保證了項(xiàng)目順利竣工，真的很不容易，讓我們?yōu)樗麄兊呐蛨?jiān)持點(diǎn)個(gè)贊吧！

子午工程走向世界

雖然子午工程已經(jīng)取得了成功，但功成名就的子午人并未就此身退。隨著子午工程的國(guó)際影響力不斷提升，子午人將目光投向了更遠(yuǎn)的地方。

目前，美國(guó)、加拿大、日本都針對(duì)性啟動(dòng)了地球空間系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究的大科學(xué)工程或科學(xué)計(jì)劃，但從全球視角來(lái)看，它們?nèi)跃哂幸欢ǖ膮^(qū)域性。為此，我國(guó)科學(xué)家提出了以子午工程為基礎(chǔ)和核心建設(shè)國(guó)際空間天氣子午圈的計(jì)劃，計(jì)劃將我國(guó)的子午鏈向北延伸至俄羅斯，向南延伸到東南亞，形成一個(gè)可繞地球一周的地基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)子午圈，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)、全緯度同時(shí)觀測(cè)。這一構(gòu)想得到了俄羅斯、美國(guó)、巴西等國(guó)科學(xué)家的積極響應(yīng)。目前，國(guó)際空間天氣子午圈計(jì)劃一期已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)。希望在不久的將來(lái)，它能夠順利竣工，為我們開(kāi)啟探索、利用空間天氣的新時(shí)代。