走近大国重器 | 给太空做“超级CT”

 探访子午工程二期

走近大国重器 | 给太空做“超级CT”

中央纪委国家监委网站 初英杰

圆环阵太阳射电成像望远镜。中国科学院国家空间科学中心供图

　　覆盖范围最广、监测要素最全、综合能力最强！我国大国重器又上新了！

　　3月21日，在北京怀柔科学城，国家发展改革委批复建设的“十三五”国家重大科技基础设施——空间环境地基综合监测网（子午工程二期）正式通过国家验收。

　　这是我国建成的国际首个覆盖日地空间全圈层（太阳风—磁层—电离层—中高层大气）的综合性空间环境地基监测设施，也是世界上规模最大的空间环境地基综合监测网。子午工程二期正式通过国家验收，标志着我国空间环境地基监测能力跃居世界领先地位，为全球空间天气研究贡献出中国方案。

　　空间天气是什么？子午工程二期如何对其实施监测，监测成果有哪些应用？子午工程建设经过了怎样的发展历程？记者近日前往中国科学院国家空间科学中心，采访了有关专家。

　　构建“一链、三网、四聚焦”监测体系，实现从太阳表面爆发、行星际传播到地球空间响应的全链条追踪监测

　　随着科技发展，人类活动逐渐向日地空间延伸。日地空间一般指地表20至30公里以上直至太阳表面的广阔区域，涵盖中高层大气、电离层、磁层、行星际空间和太阳大气等五大圈层，由太阳不断向外输出的巨大能量和物质与地球大气相互作用而形成。

　　这是当前人类开展航天活动、开发利用空间的主要区域，被认为是陆、海、空（低层大气）环境之外的“第四环境”。

　　正如地球上有风、雨、雷、电、雪、冰雹等天气，日地空间也有“风风雨雨”。

　　太阳有时具有暴脾气，太阳耀斑等剧烈活动，会导致日地空间环境发生各种短期变化过程，这些变化便是“空间天气”，其中，“风”是太阳风，“雨”是来自太阳的带电粒子雨。

　　灾害性空间天气可导致卫星失效、通信中断、导航偏差、电网瘫痪等重大风险，威胁国家安全与民生基础设施等。中国科学院国家空间科学中心副主任、子午工程中心主任李晖认为，要保障国家战略需求、人民群众利益，必须加强对空间天气的监测与预报，抢占空间天气科技制高点。

　　“相比运用航天器的天基监测，运用地球上的监测设备开展的地基监测具有‘连续、便捷、可控、可信、经济’等优势。”李晖介绍。1993年，我国老一辈科学家们提出建设空间环境地基监测设施子午工程的设想。

　　子午工程分为一期和二期。“一期于2008年开工建设，从无到有，沿东经120°子午线、北纬30°纬度线，在15个监测台站，‘十’字形、链条式部署了87台（套）监测设备，并于2012年正式运行。”李晖说，“一期运行以来取得了一系列重大成果。但是，其设备多是较常规的小型设备，监测能力有限，覆盖区域也有限。随着科技发展、形势变化，越来越不能满足我国空间环境监测需求。”

　　2019年11月，子午工程二期开工建设。中国科学院国家空间科学中心牵头，联合8个部门的15家单位协同攻关，创新性构建了“一链、三网、四聚焦”的监测体系，实现从太阳表面爆发、行星际传播到地球空间响应的全链条追踪监测。

　　中国科学院国家空间科学中心研究员、子午工程二期总工程师徐寄遥向记者介绍，“一链”即太阳—行星际监测链，通过一系列先进的太阳—行星际监测设备，形成对从太阳到地球空间全链条的监测能力；“三网”包括地磁监测网、中高层大气监测网和电离层监测网，采用地磁、无线电、光学等手段，对我国区域的电离层、中高层大气、地磁开展“全景”监测；“四聚焦”是指聚焦极区高纬地区、北方中纬地区、海南（南方）低纬地区、地球“第三极”青藏高原地区四个重点区域，建设国际先进的大型监测设备，开展对空间环境的精细“显微”的综合探测。

　　从无到有，从有到强。子午工程二期实现了空间环境地基综合监测覆盖广度、技术深度和探测精度的多维度突破。

 阵列式大口径激光雷达。中国科学院国家空间科学中心供图

　　“覆盖广度的突破主要体现在南北纵深和东西跨度更大。技术深度的突破，主要体现在我国自主研发的大型设备通过技术创新实现了多项世界领先。探测精度则和技术深度分不开，比如国际首台全季节观测阵列式大口径激光雷达实现了200—1000公里高度的探测，其信号灵敏度是国际同类设备的100—200倍。”李晖介绍，这些突破，将显著提升我国空间天气预报预警能力，为抢占空间科技战略制高点提供强大助力。

　　边探索边研制，建成一批国际领先的空间环境监测设备，国产化率达90%以上

　　“子午工程二期主要由空间环境监测系统、数据通信系统、科学应用系统三大系统构成。分布在各台站、站点的监测设备，构成空间环境监测系统。由于监测设备是分散在各地的，所以需要数据通信系统来提供数据传输、信息处理、分发服务等。科学应用系统则主要由科学运行、研究支撑、预报服务、交叉应用等分系统构成。”徐寄遥自豪地向记者介绍，子午工程二期建成的一批大型监测设备，技术指标达到国际先进水平。

　　在四川稻城县，313部直径6米的抛物面天线，均匀分布在直径为1公里的圆环上，这便是被称为“千眼天珠”的全球最大综合孔径射电望远镜——圆环阵太阳射电成像望远镜。“千眼天珠”具备最大视场达10个太阳半径的连续稳定的太阳射电成像与频谱观测能力，可对日冕的射电活动进行三维层析。

　　位于海南三亚市、文昌市、儋州市的三站式非相干散射雷达，是全球探测能力最强的相控阵非相干散射雷达，可实现上千公里电离层的CT扫描，具有3分量成像探测能力。

　　位于新疆和静县、内蒙古四子王旗、吉林龙井市的中纬高频雷达，填补了国际超级双极光雷达网在欧亚扇区的监测空白，实现了南北纵深约4000公里、东西跨度约10000公里的亚洲扇区中高纬电离层环境的连续监测。

　　位于内蒙古锡林郭勒盟明安图镇的行星际闪烁监测望远镜，是我国首台用于行星际闪烁监测的望远镜，具备对太阳风结构的连续观测能力……

 行星际闪烁监测望远镜。中国科学院国家空间科学中心供图

　　令广大科研人员尤为自豪的是，这些大型监测设备是我国自主研制的。

　　“子午工程一期的监测设备国产化率不到50%，而子午工程二期的大型监测设备国产化率达到了90%以上。这些设备，从设计、研制到搭建等等，很多都是一边探索一边修改方案一边研制和建设，到最终呈现最优效果，难度可想而知。”徐寄遥认为，自主研发能力和水平显著提高的背后，离不开国家经济发展、科研实力提高和高水平人才队伍建设等提供的基础与底气。

　　作为我国“十三五”时期空间科学领域的标志性工程，子午工程二期在世界范围内是覆盖范围最广、监测要素最全、综合能力最强的。

　　在我国本土、地球南北极区，子午工程二期实现了对近地空间（地磁、电离层、中高层大气）的协同网络化监测，从而助力日地空间环境整体变化机理、空间物理基本物理过程等前沿科学研究，并为我国空间天气预报和预警服务提供关键的自主数据输入。

　　“子午工程二期是边建设、边运行、边产出的，建成一个大型监测设备就运行一个，在正式通过国家验收之前就已连续获取空间环境监测数据，并对外提供数据共享服务，持续产出系列成果。”李晖说，试运行期间，子午工程二期就展现出卓越性能。

　　2024年5月，一场超级磁暴事件袭击地球。子午工程二期成功捕捉到并完整记录了日地空间环境对太阳活动响应的全过程，及时发出预警，展现了其对空间天气事件的快速、高精度、全局监测能力。

　　截至目前，利用子午工程二期的监测数据，科研人员已发表科技论文96篇，获批专利等48项。

　　从中国到世界，实施国际子午圈大科学计划，为在外空领域推动构建人类命运共同体提供科学依据

　　在子午工程一期的基础上，子午工程二期新增16个监测台站，与一期共同形成了沿东经100°、120°，北纬40°、30°，呈“井”字形布局的空间环境监测网络，目前共拥有31个台站、96个站点、282台（套）监测设备。

　　从“十”字形到“井”字形布局，子午工程填补了一些监测区域、监测对象的空白，大大提高了监测能力。据徐寄遥介绍，在极区等重要区域，在已有台站、站点基础上，还增设了一些设备。

　　中国科学院国家空间科学中心的怀柔园区有栋“子午楼”，是子午工程综合信息与运控中心所在地。

　　这里是子午工程的“司令部”，具有指令发布、总体调度、运行监管、数据汇集、发布产品等功能。大厅的大屏幕上，实时滚动着各地监测设备传回的数据。一旦出现空间环境事件，楼上的国际空间环境服务组织中国区域警报中心将迅速通过多种渠道公开预报、预警信息。

　　运用子午工程的监测数据而产生的成果，可以应用到空间物理、对地遥感、导航定位、月球科学、射电天文等很多领域，为我国载人航天、深空探测等国家重大任务提供有力保障，为我国重要的空间基础设施稳定运行保驾护航。

　　这样的大国重器，与百姓日常学习、工作、生活有哪些关系？

　　实际上，作为地球上的空间天气“超级气象站”，子午工程二期通过给太空做“超级CT”，在“边建设、边运行、边产出”的过程中就已多次发挥重大作用，在空间环境事件袭来时及时发出预报预警，推动及时防范，避免了重大损失。李晖举了几个例子：“就整个城市而言，如果太阳风暴袭来时，供电设施做了很好的防护，就可能防止电网瘫痪。在日常生活中，人们出行时，可能会发现导航定位精度更高了。想去极区旅游，只要关注空间天气，挑选太阳风暴强烈的时候，就可能会看到绚丽极光。”

　　目前子午工程一期和二期已融合运行。“融合运行需要子午工程一期在硬件上更新换代、改造提升，在软件上与二期统一，在历史数据上与二期数据格式一致，使子午工程真正融合为一个整体，实现更好的数据交流，更加方便科研工作。”徐寄遥说。

　　融合运行后的子午工程将跃上新的台阶，吸引全球更多科学家开展合作研究，为了解人类生存“第四环境”做出重大贡献。

　　太阳一打喷嚏，地球就感冒。空间天气问题是全球性问题，需要全球共同应对，提出全球化的解决方案。

　　我国科学家以子午工程为基础，率先提出并主导实施国际子午圈大科学计划。

　　“计划的目标是在东经120°至西经60°这一地球陆地上唯一一个可闭环的子午圈，把沿线国家空间环境地基监测设备联合起来，建立陆地最完整的空间环境监测链。”李晖介绍，通过实施国际子午圈大科学计划，实现对日地空间环境全纬度、全天候、日不落的立体观测，解决太阳风暴、地球磁场变化等全球性挑战难题，为应对空间天气灾害、和平利用空间、在外空领域推动构建人类命运共同体提供科学依据。

中国公共新闻网摘编：亓淦玉