中國科學院院士王赤

　　從子午工程一期開始，全球空間環境地基監測研究的重心開始向中國轉移，子午工程二期將完成這個重心的轉移，我國將實現空間環境從認知能力向認知與保障能力並重的提升

　　太陽活動是地球災害性空間天氣之“因”，地磁暴等近地空間環境回應是太陽風暴與地球空間環境相互作用之“果”。為了研究日地空間天氣因果鏈，子午工程二期通過自主創新突破了一系列關鍵探測技術

　　以子午工程為基礎，中國科學家率先提出並主導實施國際子午圈大科學計劃（IMCP）

　　文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順

　　當前，我國太空資產規模持續壯大，在軌航太器數量已超1000顆，位居世界第二。災害性空間天氣嚴重威脅太空資產安全，據統計在軌衛星故障有一半左右是受到空間天氣事件影響。

　　國家發展改革委批複建設的“十三五”國家重大科技基礎設施——空間環境地基綜合監測網（子午工程二期）近日已正式通過驗收，這是我國建成的國際首個覆蓋日地空間全圈層（太陽大氣-行星際-磁層-電離層-中高層大氣）的綜合性空間環境地基監測設施，標誌著中國空間環境地基監測能力躍居世界領先地位，也進一步增強了對我國航太器的空間天氣保障能力。

　　“子午工程一期建成后，我國空間環境地基監測的綜合性能力取得重大發展，空間天氣服務開始成體系化，近5年我們提供了空間站、探月工程等60多次重大航太任務的空間環境保障服務。”中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任王赤告訴《瞭望》新聞周刊記者。從子午工程一期開始，全球空間環境地基監測研究的重心開始向中國轉移，子午工程二期將完成這個重心的轉移，我國將實現空間環境從認知能力向認知與保障能力並重的提升。

　　國際合作中，正在推進的國際子午圈大科學計劃，將使我國借勢形成全球輻射能力，使得中國空間環境地基監測研究能力實現從“跟跑”“並跑”到“領跑”的超越。

　　中國空間天氣服務成體系化發展

　　《瞭望》：為什麼要關注空間天氣？

　　王赤：當前人類活動逐漸超越陸地、海洋和低層大氣的限制，向著更廣袤的日地空間延伸。日地空間環境是指地表20～30千米（平流層頂）以上直至太陽表面的廣闊區域，涵蓋了物理性質不同的中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽大氣等五大圈層，是由太陽不斷向外輸出的巨大能量和物質與地球大氣相互作用而形成的。日地空間是當前人類航天活動、空間開發利用的主要區域，是與人類生存發展息息相關的“第四環境”。

　　日地空間範圍內的災害性空間天氣可導致衛星失效、通信中斷、導航偏差、電網癱瘓等重大風險。2022年，一次中等空間天氣事件導致SpaceX的38顆“星鏈”衛星提前墜入大氣層報廢。2024年5月，強烈的太陽風暴襲擊地球，罕見的極光現象出現在我國北方地區，全球多地出現大面積短波通信中斷、天波超視距雷達探測能力嚴重下降、全球導航衛星系統（GNSS）失鎖等突發狀況。

　　提升空間天氣預報預警水準，是搶佔空間天氣科技制高點、滿足國家發展戰略的迫切要求。

　　《瞭望》：子午工程在空間科學研究與應用服務中發揮了哪些作用？

　　王赤：地基監測是天地一體化空間環境監測體系中的重要組成部分和基礎，我國地基監測經歷了從零星觀測到綜合集成的發展路徑。子午工程是我國空間科學領域的首個國家重大科技基礎設施，旨在建設一個綜合性的地基空間環境監測系統。2012年子午工程一期通過國家驗收，正式投入運行。至今已經歷了一個太陽周（11年），為提升我國空間環境研究和應用水準作出了重要貢獻。

　　研究方面，子午工程一期取得了一系列突破，主要集中在對我國空間環境區域特徵的研究、空間天氣擾動的傳播規律以及不同空間圈層之間的物質和能量耦合等方面。應用方面，工程為我國重要的空間環境預報保障單位提供了自主數據，應用於載人航太、深空探測等多項國家重大任務的保障中。

　　子午工程二期可以實現從太陽表面爆發、行星際傳播到地球空間回應的全鏈條追蹤監測。在我國本土、地球南北極區實現對近地空間（地磁、電離層、中高層大氣）的協同網路化監測，從而助力日地空間環境整體變化機理、空間物理基本物理過程等前沿科學研究，併為中國空間天氣預報和預警服務提供關鍵的自主數據。

　　在試運行期間，子午工程二期展現出卓越性能，如成功捕捉到2024年5月超級磁暴事件，完整記錄日地空間環境對太陽活動回應的全過程，展現了其對空間天氣事件的快速、高精度、全域監測能力。利用子午工程二期的監測數據，已發表科技論文96篇，獲批專利等48項。

　　目前子午工程一期和二期已融合運行。相比國際上其他監測要素和手段較為單一的地基監測網路，如地磁監測網路MAGDAS、國際超級雙極光雷達網SuperDARN、國際GNSS服務IGS等，子午工程在國際上覆蓋範圍最廣、監測要素最全、綜合能力最強，實現了空間天氣鏈鎖變化過程端對端的整體監測，將對太陽活動-日地傳輸-對地影響的全過程研究產生重大影響。

　　自主創新突破關鍵探測技術

　　《瞭望》：子午工程的監測架構是怎樣的？

　　王赤：地球的磁力線大致沿經線（子午線）分佈，空間天氣事件一般都沿磁力線傳播和演化，而隨著地球自轉，利用子午線上台站聯合探測可實現對空間環境進行掃描觀測，類似於給地球空間環境做CT。採用地磁（電）、無線電、光學等手段，可連續監測地球表面20千米到幾百千米高度的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間。

　　子午工程一期利用東經120°子午線附近（北起漠河，經北京、武漢，南至海南並延伸到南極中山站），北緯30°附近（東起上海，經武漢、成都，西至拉薩）中國的15個觀測台站，建設了87台不同類型的監測設備。子午工程二期在一期基礎上新增了16個台站，並提高一期台站的綜合探測能力，形成沿東經100°、120°，北緯40°、30°兩縱兩橫式佈局的31個台站、282台監測設備的空間環境監測系統。

　　太陽活動是地球災害性空間天氣之“因”，地磁暴等近地空間環境回應是太陽風暴與地球空間環境相互作用之“果”。為了研究日地空間天氣因果鏈，子午工程二期通過自主創新，新增了一系列先進的太陽-行星際監測設備（“一鏈”），用來監測太陽風暴-日冕活動、日地行星際傳播這一關鍵鏈條；採用地磁（電）、無線電、光學等手段，對我國區域的電離層、中高層大氣、地磁形成網路化的監測能力（“三網”），用來監測地球空間環境的擾動；在極區高緯、北方中緯、海南（南方）低緯、青藏高原4個重點區域建設國際先進的大型監測設備，開展對空間環境的精細“顯微”探測（“四聚焦”），實現對一些具備特殊空間天氣現象以及對中國區域影響較大地區的監測。

　　《瞭望》：子午工程二期突破了哪些關鍵探測技術？

　　王赤：工程的最大特點是其完整的日地空間綜合監測體系，使其具備對日地空間進行端對端的整體探測研究能力。工程二期新增了一系列探測能力國際領先的大型監測設備，其中包括全球最大綜合孔徑射電望遠鏡——圓環陣太陽射電成像望遠鏡，實現了最大視場達到10個Rs（太陽半徑）的連續穩定的太陽射電成像與頻譜觀測能力以及日冕射電活動的三維層析；國際首台全季節觀測陣列式大口徑鐳射雷達實現探測高度200～1000千米，其信號靈敏度是國際同類設備的100～200倍；全球探測能力最強的三站式相控陣非相幹散射雷達，實現上千千米電離層的CT掃描和3分量速度向量探測能力；我國首台行星際閃爍望遠鏡，太陽風三維結構反演能力國際領先。

　　推動以我為主的多邊國際科技合作

　　《瞭望》：中國在國際空間天氣預報中發揮了什麼樣的作用？

　　王赤：子午工程大幅提升了中國在空間科學領域開展國際合作的凝聚力和話語權，推動了以我為主的多邊國際科技合作。

　　例如國家空間天氣監測預警中心利用子午工程自主監測數據，順利完成多輪國際民航組織（ICAO）空間天氣國際值班任務。按照ICAO要求，國際民航組織全球空間天氣中心（中國）（CRC-CHN）作為當值中心，負責監測全球範圍內影響航空運行的空間天氣事件，製作和發佈航空空間天氣產品，並提供空間天氣情報諮詢服務。依託子午工程監測數據製作的空間天氣產品，有效地應用在ICAO服務中，包括空間天氣日報產品和ICAO空間天氣諮詢報。在國際航空空間天氣全球服務背景下，彰顯我國空間天氣監測以及預報預警能力。

　　2024年1月，國際空間環境服務組織中國區域警報中心落戶懷柔科學城。子午工程是中國區域警報中心業務開展的重要數據基礎。中國區域警報中心持續向國際空間環境服務組織提供和交換每日空間天氣指數和事件預報產品，開展空間天氣預報技術交流和全球協調合作，將為全球共同應對空間天氣災害，構建人類命運共同體持續做出中國貢獻。

　　《瞭望》：國際子午圈大科學計劃進展如何？

　　王赤：空間天氣是全球性問題，需要全球合力參與。子午工程一期對能量如何從高緯傳播到低緯、從地球磁層外部傳播到磁層內部的研究，跨出了全球性空間天氣研究的第一步。子午工程二期可以實現空間天氣觀測從太陽到地球的全過程，完成全球性空間天氣研究的第二步。以子午工程為基礎，我國科學家率先提出並主導實施國際子午圈大科學計劃（IMCP），這是全球性空間天氣監測研究的第三步。

　　IMCP的目標是實現對日地空間環境全緯度、全天候、日不落的立體觀測，解決太陽風暴、地球磁場變化等全球性挑戰難題，為應對空間天氣災害、和平利用空間、在外空領域推動構建人類命運共同體提供科學依據。

　　IMCP計劃將聯合跨越東經120°、西經60°子午圈沿線的十余個國家或地區的千余台儀器形成全球分散式地基探測網路，其全球地基分佈網路可以把地球空間變為物理資訊的三維網格，借助地球自轉，每12個小時生成一張地球空間環境的“核磁共振圖像”。並與天基探測衛星相結合，在關鍵格點對關鍵過程進行詳細診斷。同時，近千台不同種類的儀器設備相互定標，將全網路的測量絕對基準維持在一個穩定精準的基線上，不斷完善地球環境監測能力指標。例如，地球磁場現在以每百年10%的速率衰減，導致太陽能量粒子和宇宙射線對地球大氣的作用大幅增強。這一變化是否影響氣候及其他環境因素，需要IMCP這樣長期、穩定和綜合的全球性觀測來判別。

　　IMCP自提出以來得到了國際熱烈回應，數百位國際科學家參與規劃。來自中國、巴西、俄羅斯、泰國、法國、美國等國的20多個研究機構，以及國際組織積極支持和參與。國際子午圈總部於2023年落戶懷柔科學城。中巴空間天氣聯合實驗室作為國際子午圈計劃在海外建設的先行示範，與巴西國家空間研究院一起建立了南美區域的空間天氣監測網路。IMCP的蓬勃發展，將大幅度提升中國在國際空間界的地位和影響力，為人類共同應對全球性的空間天氣挑戰提供中國方案。■