子午工程

謝華

子午工程，是我國大型的“地基”空間環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)，也可以理解為“空間天氣觀測站”。只是，它預報的不是風雨溫濕這些距地10千米以內的低層大氣的變化，而是實時監(jiān)測太陽活動對距地20～30千米以上空間的影響。這與我們的日常生活關系大嗎？我們?yōu)槭裁匆P心這個問題？下面，讓我們一起回顧歷史，看看空間天氣對人類科技活動、生產活動以及日常生活的影響吧。

歷史上的三個大事件

1. 1859 年卡靈頓事件

1859年9月2日午夜過后，北美洛基山上的露營者被一場罕見的“極光秀”驚醒，紅色、綠色的光帶交相輝映，照亮了整個蒼穹。

事實上，這場堪稱“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。中國的《欒城縣志》中曾經記載：（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”。記載日期剛好對應1859年9月2日，欒城縣位于我國河北省（北緯38°左右），并非極地。

接下來的事情十分“詭異”——歐洲和北美之間的電報系統(tǒng)中斷，有發(fā)報人員遭到電擊，部分電報站斷電了但是仍然可以發(fā)報。巧合的是，就在一天前（9月1日），英國一位業(yè)余天文學家理查德·卡靈頓首次發(fā)現(xiàn)了太陽耀斑，并記錄了它的變化過程。當時他還不能確定太陽耀斑現(xiàn)象與地球上的極光異常、電磁干擾有關，后來科學家證實了它們的相關性。這次事件后來被稱為“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45分，市民們還在沉沉的睡夢中。突然，一股巨大的電涌滲透入魁北克水電公司的電網，燒毀了一個主線路上的變壓器，90秒之內，電網崩潰，整個城市迅速陷入一片黑暗，600萬人從寒冷中醒來。當?shù)卣昧?個多小時才恢復電力，直接經濟損失高達幾千萬美元。

這次事故的始作俑者，也是一場太陽爆發(fā)。據(jù)觀測，3月10日和3月12日分別發(fā)生了2次強烈的太陽耀斑。其中，3月10日的耀斑引發(fā)的日冕物質拋射，帶著大量帶電粒子云，以300萬千米/ 時的速度沖向地球。兩天后，高能粒子流沖破了地球磁層，形成強大的地磁感應電流。正是這股電流燒毀了電網設備，引發(fā)了電網的崩潰。

所幸，這次太陽爆發(fā)強度不及1859年的卡靈頓事件。但是，20世紀人類生活對電能的依賴遠遠超過了19世紀，因此，這次太陽爆發(fā)造成的后果更為嚴重。

3. 2003 年“10·28”事件

通過魁北克事件可以看出，從耀斑爆發(fā)到日冕物質拋射到達地球，經歷了2天時間。這是不是說明，從太陽爆發(fā)開始我們還有幾十個小時的反應時間？那么，就來看看2003年這次事件的時間線吧：

2003年10月28日6時24分，觀測到大型黑子群（日面中下部）;11時12分，觀測到黑子群位置上噴發(fā)出強大的X 射線耀斑;11時30分，觀測到遠紫外日冕圖像;12時42分，大量高能帶電粒子流直撲空間探測器表面，形成雪花狀影像，說明此時它的前鋒已經進入了地球空間。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信號發(fā)生中斷或變弱，全球短波通信中斷，極區(qū)航班受到影響，瑞典5萬人電力中斷。

所幸，這次太陽爆發(fā)的強度遠不及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)小時內無法恢復，繼而造成衛(wèi)星器件故障，導航信號錯亂，由此引發(fā)交通中斷、航運失聯(lián)、銀行停業(yè)、超市關門...... 那將會是一場難以想象的巨大災難。

太陽活動的威力

太陽活動對地球的影響，首先表現(xiàn)在超強耀斑爆發(fā)的時候，輻射會驟然增強，以光速直接進入地球的電離層和高層大氣，干擾無線電信號。隨后，帶電粒子流到達磁層，沖破地球磁場后，可直接對衛(wèi)星上的器件、太陽能電池，甚至對宇航員的生命安全帶來危害。最后，日冕物質拋射出的高能量的等離子體云會劇烈擾動地磁場，形成地磁暴，生成感應電流，破壞地面的電網和通信設施，當然也會在轟擊高層大氣時生成絢麗的極光。

這種“低頻高危”的“天災”多久發(fā)生一次呢？據(jù)專家評估，超級太陽風暴每500年發(fā)生一次。我們很難預測下一次什么時候到來，但是我們可以確定，它一定會來。

我們做好準備了嗎，我們是否能夠準確預測它何時爆發(fā)，何時到達，在地球空間的傳播效應是怎樣的呢？答案是，仍有許多未解之謎。要解決這些科學難題，首先就要有長期的全方位的監(jiān)測數(shù)據(jù)——這就是子午工程要做的事。

子午工程建設

子午工程是國家級的重大科技基礎設施，由中國科學院國家空間科學中心為項目的法人單位，中國科學院、教育部、中國氣象局、工業(yè)和信息化部、中國地震局、自然資源部等多部委的十多家單位參加建設。從1993年開始構想，經過預研、一期、二期，至今已經歷時28年。項目的總指揮為中國科學院院士、國家空間科學中心研究員王赤。

子午工程一期，于2008年1月啟動，總投資1.7億元，2012年10月驗收完工。工程沿著東經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個監(jiān)測臺站共87臺/ 套監(jiān)測設備，構建起一個以鏈為主、鏈網結合的大型地基空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

子午工程二期于2019年7月啟動，目前還在建設中。二期將在一期的基礎上，新增16個臺站、195臺/ 套設備，分布在東經1 0 0°和北緯4 0°沿線， 與一期臺站（東經120°，北緯30°）形成“井”字形布局。建成以后，監(jiān)測系統(tǒng)將形成“一鏈、三網、四聚焦”的體系架構，將在全球首次實現(xiàn)對日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測，使我國空間環(huán)境地基監(jiān)測與研究能力領跑世界。

系統(tǒng)組成和架構

子午工程由三大系統(tǒng)組成，分別是空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（進行數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（負責支撐臺站與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸、存儲、分發(fā)、處理、服務等）和科學應用系統(tǒng)（用于支撐研究、預報、交叉應用等）。

子午工程的科學目標與成果

古有屈原對天發(fā)問，今有子午布網探測。

千百年來，人類對于宇宙空間的追尋與求解，從未停止。地基監(jiān)測是人類了解廣袤的地球空間環(huán)境，認識其復雜變化規(guī)律的重要手段之一。近幾十年來，隨著人類航天活動對空間環(huán)境的依賴日益凸顯和多手段探測技術的蓬勃發(fā)展，空間環(huán)境的地基監(jiān)測煥發(fā)出新的生機。

子午工程正是在此背景下應運而生，是目前世界上覆蓋區(qū)域最廣（高中低緯度）、探測手段最多、監(jiān)測空間環(huán)境物理參數(shù)最多、探測綜合能力最強的空間環(huán)境地基監(jiān)測網。

一方面，它全方位監(jiān)測太陽活動在我國上空的響應和傳播，為航天航空、交通運輸?shù)刃袠I(yè)提供環(huán)境報告;另一方面，它進一步探究地表、地球大氣層、電離層、磁層、行星際和太陽大氣之間的相互耦合作用、能量傳輸過程、演化和擾動規(guī)律等。

2010年8月20日，子午鏈臺站第一次觀測到我國上空空間環(huán)境對太陽風暴的響應，參與觀測的有44臺設備，包括Overhauser 磁力儀、磁通門經緯儀、磁通門磁力儀、感應式磁力儀、大氣電場儀、地電場儀、數(shù)字測高儀、宇宙線監(jiān)測中子堆、閃爍體望遠鏡、激光雷達、光學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，確認了同步軌道衛(wèi)星尚在磁層的保護之下，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的電流，但還不足以對地面設備造成顯著影響。

2011年9月，天宮一號發(fā)射前期，恰值太陽活動高峰年臨近，太陽風頻繁吹襲地球，磁暴活動、耀斑、日冕物質、太陽質子活動都日益增多。子午工程動用77臺設備，進行了為期一個月的連續(xù)監(jiān)測，獲取不同緯度的空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，經過計算，確認了發(fā)射日當天地磁和宇宙線均不會對發(fā)射產生影響，為天宮一號的發(fā)射完成了保駕護航。

2021年3月，《自然-物理》雜志上發(fā)表了山東大學空間科學研究院劉晶教授團隊的科研成果。他們分析多個設備的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，耀斑所產生的電離層效應足以影響包括廣袤磁層在內的整個地球空間，而不僅局限于先前科學界認為的高層大氣區(qū)域。耀斑發(fā)生時，突然增強的太陽輻射導致電離層電導率迅速增加，增強了“鎧甲”磁層抵御太陽風的能力，使太陽風“擊穿”磁層進入地球空間變得更加困難，從而減少太陽風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，耀斑發(fā)生時，地球磁層成為避免地球受太陽風影響的“自我保護”屏障。

子午工程前景展望

在子午工程的基礎上，中國科學家又發(fā)起了“國際子午圈大科學計劃”，聯(lián)合子午圈（東經120°，西經60°）上的國家和地區(qū)，發(fā)展多臺站交叉的協(xié)同監(jiān)測能力，建立數(shù)據(jù)共享和人才培養(yǎng)平臺，促進整個地球空間系統(tǒng)多圈層耦合研究，提高共同應對空間天氣災害的能力。

作為我國空間科學領域唯一的國家重大科技基礎設施，為進一步促進子午工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的開放共享，不斷提升設施的科技創(chuàng)新能力，子午工程數(shù)據(jù)已于2021年6月在CSCD 核心期刊《中國科學數(shù)據(jù)》上正式出版。

因為子午工程的建立，中國走在了空間科學探索的前列。