6月12日，在四川成都舉行的第二屆“一帶一路”科技交流大會(huì)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃論壇上，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃（International Meridian Circle Program, IMCP）牽頭單位中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心與最新加入IMCP計(jì)劃的5個(gè)國(guó)際組織、高校和研究機(jī)構(gòu)簽署了合作協(xié)議。這標(biāo)志著科學(xué)界先行發(fā)起了國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將至少執(zhí)行11年，完成一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期以上的日地空間環(huán)境探測(cè)和研究。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)示意圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心供圖
“第四環(huán)境”天氣預(yù)報(bào)水平仍需提升
地球空間是人類(lèi)航天、通信、導(dǎo)航等高技術(shù)活動(dòng)，以及空間開(kāi)發(fā)利用的主要區(qū)域，是繼陸海空環(huán)境之后的“第四環(huán)境”。受太陽(yáng)活動(dòng)影響，地球空間環(huán)境會(huì)產(chǎn)生突發(fā)、頻繁的劇烈變化，甚至引發(fā)非傳統(tǒng)的自然災(zāi)害，稱(chēng)之為空間天氣。
去年在多地出現(xiàn)的美麗極光讓很多人記憶猶新。作為最典型的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)，一次日冕物質(zhì)拋射過(guò)程能將數(shù)以?xún)|噸計(jì)的太陽(yáng)物質(zhì)以數(shù)百千米每秒的高速拋離太陽(yáng)表面，它們還攜帶著太陽(yáng)強(qiáng)大的磁場(chǎng)能，一旦命中地球，就會(huì)引發(fā)地磁場(chǎng)方向與大小的變化，即地磁暴。極光正是地磁暴的“副產(chǎn)物”。
“大的地磁暴會(huì)使衛(wèi)星隕落，影響航天活動(dòng)；使通訊中斷，并影響導(dǎo)航精度，造成幾十米的誤差?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃牽頭單位負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任王赤說(shuō)，去年5月發(fā)生的被稱(chēng)為“母親節(jié)事件”的地磁暴，曾引起中國(guó)大范圍地區(qū)電離層消失。
如同提醒公眾刮風(fēng)下雨的天氣預(yù)報(bào)一樣，科研人員也可以通過(guò)衛(wèi)星、雷達(dá)、望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，進(jìn)行天基監(jiān)測(cè)和地基監(jiān)測(cè)，對(duì)空間天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)。“但目前距離準(zhǔn)確預(yù)報(bào)空間天氣，還有相當(dāng)?shù)木嚯x?，F(xiàn)在空間天氣預(yù)報(bào)的能力和水平，相當(dāng)于上世紀(jì)60年代天氣預(yù)報(bào)的水平?！蓖醭嗾f(shuō)。
我國(guó)子午工程沿“井”字布局近300臺(tái)設(shè)備
今年3月，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程二期正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
該工程由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭建設(shè)，科學(xué)家們花了十多年的時(shí)間，在地球上沿著東經(jīng)120度，北緯30度，東經(jīng)100度，北緯40度這樣兩縱兩橫的“井”字，布局了31個(gè)臺(tái)站近300臺(tái)設(shè)備，建成了國(guó)際上綜合實(shí)力最強(qiáng)的空間天氣地基區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為我國(guó)上空的空間環(huán)境探測(cè)和保障提供了連續(xù)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
地球的磁力線(xiàn)大致沿經(jīng)線(xiàn)（子午線(xiàn)）分布，空間天氣事件一般都沿磁力線(xiàn)傳播和演化，而隨著地球的自轉(zhuǎn)，利用子午線(xiàn)上的臺(tái)站聯(lián)合探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行掃描觀測(cè)，類(lèi)似于給地球空間環(huán)境做CT。
子午工程二期建成了一批大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，三站式非相干散射雷達(dá)就是其中的代表。“如果將傳統(tǒng)探測(cè)設(shè)備比喻為X光機(jī)，那非相干散射雷達(dá)就像是空間的CT，可以看清空間的電子有多少、溫度多高、怎么運(yùn)動(dòng)、處于什么狀態(tài)等?！崩走_(dá)負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所研究員樂(lè)新安說(shuō)。
雷達(dá)部署在海南省三亞市、儋州市和文昌市三地，海南省高溫、高濕和高鹽的“三高”環(huán)境，對(duì)雷達(dá)環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，科研人員通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，攻克了這一難題。在“十年磨一劍”的長(zhǎng)期攻關(guān)中，這樣的例子不勝枚舉。
北方中緯高頻雷達(dá)，是子午工程二期的另一組大型設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)北方中緯地區(qū)電離層不間斷、大尺度探測(cè)。雷達(dá)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員張佼佼說(shuō)，雷達(dá)的三個(gè)野外臺(tái)站部署在新疆、內(nèi)蒙古、吉林，其建設(shè)過(guò)程恰逢新冠疫情，團(tuán)隊(duì)在臺(tái)站選址征地、工程實(shí)施、生活保障等方面困難重重，任務(wù)推進(jìn)舉步維艱。多部門(mén)、多單位間的協(xié)同聚力，給政策、給條件、給保障，推動(dòng)工程建設(shè)走出困境，保證建設(shè)任務(wù)如期完工。
中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)，大科學(xué)計(jì)劃可實(shí)現(xiàn)“日不落”式觀測(cè)
空間天氣是全球性現(xiàn)象，是全人類(lèi)面臨的共同挑戰(zhàn)，破題的關(guān)鍵之一就是構(gòu)建全球協(xié)同的地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并且需要聯(lián)合全球空間天氣監(jiān)測(cè)與研究力量開(kāi)展聯(lián)合科學(xué)攻關(guān)。
在子午工程的基礎(chǔ)上，我國(guó)科學(xué)家率先倡議國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃以子午工程為基礎(chǔ)，建立陸地最完整的東經(jīng)120度到西經(jīng)60度子午圈監(jiān)測(cè)鏈，擴(kuò)展形成全球一體化的多學(xué)科、多要素探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)日地空間環(huán)境全緯度、全天候、日不落的立體觀測(cè)。
子午工程二期總工程師、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員徐寄遙說(shuō)，子午工程的探測(cè)系統(tǒng)為國(guó)際子午圈的建設(shè)提供了核心的基礎(chǔ)?！肮こ踢€培養(yǎng)了一大批的人才隊(duì)伍，包括具備國(guó)際水準(zhǔn)的科研團(tuán)隊(duì)、攻堅(jiān)克難的技術(shù)團(tuán)隊(duì)和高水平專(zhuān)業(yè)化的管理團(tuán)隊(duì)。”
國(guó)際子午圈的范圍為何定在東經(jīng)120度到西經(jīng)60度？王赤解釋說(shuō)，從世界地圖上就可以看出來(lái)，東經(jīng)120度和西經(jīng)60度的范圍，可以在陸地上形成一個(gè)基本閉合的國(guó)際子午圈，實(shí)現(xiàn)全緯度的覆蓋。他說(shuō)，空間天氣變化的主要源頭是太陽(yáng)活動(dòng)，東經(jīng)120度跟西經(jīng)60度時(shí)差相差12個(gè)小時(shí)，區(qū)域內(nèi)一邊是白天，一邊是夜晚，總有一個(gè)地方能看到太陽(yáng)，可以實(shí)現(xiàn)“日不落”的監(jiān)測(cè)。隨著地球自轉(zhuǎn)，國(guó)際子午圈可以對(duì)地球空間環(huán)境進(jìn)行全球三維掃描，形成7×24小時(shí)不間斷的多尺度立體成像。
“我們還將在重點(diǎn)區(qū)域解決一些問(wèn)題，比如極區(qū)高緯地區(qū)”。王赤說(shuō)，另外，南半球巴西附近有一大塊區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度比世界其他地區(qū)弱了30%-50%，被稱(chēng)作南大西洋異常區(qū)。由于磁場(chǎng)較弱，高能粒子能夠直接打到更低的地方，影響衛(wèi)星、空間站等安全運(yùn)行，宇航員也避免在這個(gè)區(qū)域出艙活動(dòng)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心和巴西國(guó)家空間研究院共同建設(shè)了國(guó)際子午圈先導(dǎo)項(xiàng)目——中巴空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。2024年，中巴實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成兩期建設(shè)，針對(duì)兩大關(guān)鍵區(qū)域——磁赤道、南大西洋異常區(qū)（SAMA）部署10個(gè)綜合/專(zhuān)業(yè)臺(tái)站。
另外一個(gè)重要區(qū)域是我國(guó)云貴高原，地震等活動(dòng)“自下而上”對(duì)空間天氣造成擾動(dòng)的途徑和機(jī)制，也是大科學(xué)計(jì)劃關(guān)注的問(wèn)題。
大科學(xué)計(jì)劃將用AI賦能空間天氣預(yù)報(bào)
“在機(jī)制上，我們要建成世界科學(xué)家廣泛參與和密切合作的共同體，開(kāi)啟全球科學(xué)家國(guó)際合作的新范式?！蓖醭嗾f(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副主任、中國(guó)-巴西空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人李暉說(shuō)，目前，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃已與36個(gè)國(guó)際組織和國(guó)外科研機(jī)構(gòu)簽署了合作協(xié)議或確定了合作意向，開(kāi)展了大量的國(guó)際合作，并通過(guò)中國(guó)-巴西空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在南美地區(qū)開(kāi)始了先行示范工作。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)，可以簡(jiǎn)單概括為“認(rèn)知一個(gè)系統(tǒng)、厘清兩類(lèi)影響、揭秘三大難題”。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃科學(xué)方案工作組組長(zhǎng)、太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張清和說(shuō)，“一個(gè)系統(tǒng)”，即地球空間系統(tǒng)，是國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的研究主體，包括地表100公里以上的高層大氣、電離層和磁層，是與人類(lèi)生存和發(fā)展關(guān)系最密切區(qū)域。
“兩類(lèi)影響”，一是來(lái)自太陽(yáng)活動(dòng)的物質(zhì)與能量對(duì)地球空間的“自上而下”的影響，主要體現(xiàn)在太陽(yáng)爆發(fā)引起的惡劣“空間天氣”現(xiàn)象對(duì)地球空間的影響；二是來(lái)自地表-氣候氣象系統(tǒng)對(duì)地球空間“自下而上”的影響，主要體現(xiàn)在地震、火山、雷暴、臺(tái)風(fēng)等活動(dòng)引起地球空間環(huán)境變化?！暗厍蚩臻g系統(tǒng)處在日地空間環(huán)境之中，受太陽(yáng)爆發(fā)和地球活動(dòng)雙重驅(qū)動(dòng)影響?！?/p>
“三大難題”，分別是空間環(huán)境全球與典型區(qū)域的多要素、多時(shí)空尺度特征和變化規(guī)律，太陽(yáng)爆發(fā)在日地空間的傳播和演化，空間天氣與全球變化以及地球自然災(zāi)害的關(guān)系。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將采用更先進(jìn)的研究范式，比如用AI來(lái)賦能空間天氣預(yù)報(bào)。
將完成一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期以上的日地空間環(huán)境探測(cè)
與子午工程運(yùn)控大樓一樣，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃總部大樓位于懷柔科學(xué)城。為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃擬成立“IMCP國(guó)際組織”，落戶(hù)總部大樓，整體協(xié)調(diào)和推進(jìn)國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的實(shí)施，完成“開(kāi)展創(chuàng)新研究、組織協(xié)同監(jiān)測(cè)、共享數(shù)據(jù)信息、深化合作交流”等4大任務(wù)。
國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將至少執(zhí)行11年，完成一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期以上的日地空間環(huán)境探測(cè)和研究。利用多樣化的觀測(cè)手段和全球性布局，推進(jìn)空間天氣領(lǐng)域的重大理論創(chuàng)新和探測(cè)技術(shù)突破，為提升防御全球空間天氣災(zāi)害的能力提供科學(xué)支撐，為認(rèn)知宜居地球、和平利用外層空間提供獨(dú)特方案和貢獻(xiàn)重要力量。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 張牽 校對(duì) 楊利
