大國重器構建“空間長城”彰顯中國“硬核”實力

近日，由16個觀測臺站、58個觀測點組成的子午工程二期初步建成，和此前建成的子午工程一期一起，形成了覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形、目前世界上規模最大的空間環境地基綜合監測網，可以說是名副其實的“天網”，而它的任務就是揭示空間天氣變化的過程和規律，提升空間天氣的預報水平。而這其中，對電離層的探測是重要內容之一。

和地球上的“風雨雷電”相比，什么是“空間天氣”呢？專家介紹，距離地面30公里的平流層以上的中高層大氣，空間環境受到太陽活動的影響，會發生劇烈變化。這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，就是“空間天氣”。尤其是地球上空高度約60～1000公里的高層大氣叫作電離層，我們日常的通信、廣播、導航、定位都離不開這個區域。電離層“天生不安分”，存在著大量自由帶電粒子，有時還會突然出現擾動，使地面的無線電通信受到嚴重影響。

捕捉監測幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”，就好比是要用肉眼去觀察幾百公里外的一根蠟燭，難度可想而知。今年建成的子午工程標志性設備之一——海南三亞非相干散射雷達就掌握了這一關鍵核心技術，這也是目前世界最先進的地基電離層探測設備。不久前，這個空間探測的科學重器正式投入運行，開始對電離層進行大范圍、多參數探測和研究。

在海南三亞大茅村，由8000多部天線單元共同組成的非相干散射雷達陣列，面積有1600平方米，相當于四個籃球場大小，這是子午工程二期的標志性設備之一，能夠捕捉幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”。

中國科學院地質與地球物理研究所研究員樂新安介紹：“就像在300公里處有一根蠟燭，要用肉眼去觀察它。雷達的一個單元就相當一個眼睛的像素點，當像素點越多的時候，分辨率就會越高，精度也會越高。電離層中電子密度不到中性成分的1%，但它們對日地空間的擾動過程非常敏感，比如太陽“打個噴嚏”、地表發生地震等都會有對應的響應，堪稱空間天氣的“顯示屏”。了解和掌握電離層中電子的狀態和變化機制，對于衛星導航通信安全乃至未來地震的預報預警都具有重要意義。”非相干散射是電磁波照射到電子時產生的一種散射現象，這種信號十分微弱。那么8000多個天線單元組成的龐大陣列如何捕捉微弱的散射信號呢？它的核心裝備就在天線下方。

“8320個單元在統一的指令下，朝著同一方向向空中輻射電磁波，能量就會集中，威力更大。”中國科學院地質與地球物理研究所工程師張寧介紹，通過8320個組件可以將強大的能量輻射到電離層，電離層會散射微弱的回波信號，通過低噪聲放大和波形的編解碼，可以對微弱的散射信號進行分析，得到電離層的參數，將電離層中電子和離子的狀態像顯微鏡一樣放大給科學家。

“高度越高，電離層中電子的密度就越稀薄和難以探測。目前國際電離層探測高度在幾百公里，而三亞非相干散射雷達作為世界上目前口徑最大、功率最高的相控陣非相干散射雷達，將電離層探測高度提升到了上千公里。不僅如此，它探測精度和靈敏度達到國際領先水平，能夠捕捉像等離子體這種更加細微的粒子的變化。投入運行以來，三亞非相干散射雷達首次觀測到高時空分辨率的電離層等離子體空洞剖面結構，為開展相關物理研究奠定了堅實的基礎。”張寧介紹道。

此外，作為高功率雷達，非相干散射雷達還是其他射電天文設備的理想信號源。目前已攜手中國“天眼”FAST以及四川稻城圓環陣太陽成像射電望遠鏡開展聯合觀測，并初步取得一批成果。據了解，下一步，三亞非相干散射雷達還將拓展月球及小天體的監測能力。

強大的探測裝置是空間物理取得科學突破的前提。三亞非相干散射雷達只是子午工程二期的其中一個設備，子午工程二期共有16個臺站、58個觀測點，目前已經初步建成，進入到聯調試運行階段。

在位于北京懷柔的中國科學院國家空間科學中心，還有陣列式大口徑激光雷達、行星際閃爍監測望遠鏡等，它們都是子午工程二期的標志性設備。目前，子午工程二期已建設完成空間天氣監測設備195臺（套）。

捕捉監測幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”，就好比是要用肉眼去觀察幾百公里外的一根蠟燭，難度可想而知。今年建成的子午工程標志性設備之一——海南三亞非相干散射雷達就掌握了這一關鍵核心技術，這也是目前世界最先進的地基電離層探測設備。

中國科學院院士子午工程二期總指揮王赤表示：“子午工程二期，現在我們正處在一個綜合調試、聯測聯試、試運行的階段，爭取明年完成國家驗收，正式進入到運行階段。”

子午工程是中國空間科學領域首個國家重大科技基礎設施，一期工程2008年開工建設，2012年正式運行。工程二期2019年開工建設，新增16個臺站、58個觀測點、195臺（套）監測設備，與一期工程協同，沿東經100°、北緯40°;形成覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形地基空間環境綜合監測網，覆蓋范圍更廣、探測高度更高、監測能力更強。王赤介紹，到了（子午工程）二期之后，我們有一些“硬核”的產品在國際上都處于領先地位。比如說，稻城的圓環陣是國際上孔徑最大的一個太陽射電望遠鏡。再比如說氦激光雷達，形成了6米口徑的對中高層大氣全天候的探測能力，它的探測性能達到了1000公里，這在國際上所有設備當中，屬于最高水平。

據了解，未來，子午工程一期和二期將組成世界上規模最大的空間環境地基綜合監測網，為空間天氣預報精度的提高提供數據支撐。

子午工程二期采用“一鏈、三網、四聚焦”的設計架構，首次實現了對我國上空日地空間環境的全圈層、多要素、立體式探測。

“一鏈”，即太陽—行星際監測鏈，形成了對太陽—行星際—地球的全天候監測能力；“三網”包括地磁監測網、中高層大氣監測網和電離層監測網，開展“全景”監測；“四聚焦”指的是針對地球兩極、北方中緯、海南低緯和青藏高原這四個空間天氣擾動、圈層耦合較為特殊和強烈的地區，開展“顯微”探測。王赤介紹，子午工程二期增加了對空間天氣的活動源頭——太陽的監測，形成了從太陽到地球端對端的空間環境的監測，在國際上是第一次，（也是）唯一的一個空間環境的監測系統，做到了整個日地空間端對端的觀測。

據了解，未來子午工程一期和二期將運行多達44種、近300臺儀器，能夠同時覆蓋色球、日冕、太陽風、磁層、電離層、中高層大氣，一直到低層大氣。

“瞄準世界科技前沿，我們能夠回答太陽活動如何影響地球的空間環境；在滿足國家重大需求方面，能為空間天氣預報精度的提高提供數據支撐，能保障航天、通信、導航等一系列的國家空間基礎設施、高技術設施運行安全。”

◎ 來源|央視網