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(yù)報的不是風(fēng)雨溫濕這些距地10千米以內(nèi)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(guān)系大嗎？我們?yōu)槭裁匆P(guān)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(chǎn)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(jīng)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(yīng)1859年9月2日，欒城縣位于我國河北?。ū本?8°左右），并非極地。

接下來的事情十分“詭異”——?dú)W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(xué)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(dāng)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(guān)，后來科學(xué)家證實了它們的相關(guān)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(wǎng)，燒毀了一個主線路上的變壓器，90秒之內(nèi)，電網(wǎng)崩潰，整個城市迅速陷入一片黑暗，600萬人從寒冷中醒來。當(dāng)?shù)卣昧?個多小時才恢復(fù)電力，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)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(qiáng)烈的太陽耀斑。其中，3月10日的耀斑引發(fā)的日冕物質(zhì)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(qiáng)大的地磁感應(yīng)電流。正是這股電流燒毀了電網(wǎng)設(shè)備，引發(fā)了電網(wǎng)的崩潰。

所幸，這次太陽爆發(fā)強(qiáng)度不及1859年的卡靈頓事件。但是，20世紀(jì)人類生活對電能的依賴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了19世紀(jì)，因此，這次太陽爆發(fā)造成的后果更為嚴(yán)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(zhì)拋射到達(dá)地球，經(jīng)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(yīng)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(qiáng)大的X 射線耀斑;11時30分，觀測到遠(yuǎn)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(jīng)進(jìn)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?nèi)?，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(qiáng)度遠(yuǎn)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(nèi)無法恢復(fù)，繼而造成衛(wèi)星器件故障，導(dǎo)航信號錯亂，由此引發(fā)交通中斷、航運(yùn)失聯(lián)、銀行停業(yè)、超市關(guān)門...... 那將會是一場難以想象的巨大災(zāi)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(qiáng)耀斑爆發(fā)的時候，輻射會驟然增強(qiáng)，以光速直接進(jìn)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(dá)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(zhì)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(yīng)電流，破壞地面的電網(wǎng)和通信設(shè)施，當(dāng)然也會在轟擊高層大氣時生成絢麗的極光。

這種“低頻高?！钡摹疤鞛?zāi)”多久發(fā)生一次呢？據(jù)專家評估，超級太陽風(fēng)暴每500年發(fā)生一次。我們很難預(yù)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(zhǔn)備了嗎，我們是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測它何時爆發(fā)，何時到達(dá)，在地球空間的傳播效應(yīng)是怎樣的呢？答案是，仍有許多未解之謎。要解決這些科學(xué)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(shè)

子午工程是國家級的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心為項目的法人單位，中國科學(xué)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(shè)。從1993年開始構(gòu)想，經(jīng)過預(yù)研、一期、二期，至今已經(jīng)歷時28年。項目的總指揮為中國科學(xué)院院士、國家空間科學(xué)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(jīng)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(shè)備，構(gòu)建起一個以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)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(shè)中。二期將在一期的基礎(chǔ)上，新增16個臺站、195臺/ 套設(shè)備，分布在東經(jīng)1 0 0°和北緯4 0°沿線， 與一期臺站（東經(jīng)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(wǎng)、四聚焦”的體系架構(gòu)，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(lǐng)跑世界。

系統(tǒng)組成和架構(gòu)

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(jìn)行數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（負(fù)責(zé)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(wù)等）和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)（用于支撐研究、預(yù)報、交叉應(yīng)用等）。

子午工程的科學(xué)目標(biāo)與成果

古有屈原對天發(fā)問，今有子午布網(wǎng)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(rèn)識其復(fù)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(shù)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(jī)。

子午工程正是在此背景下應(yīng)運(yùn)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(qiáng)的空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)。

一方面，它全方位監(jiān)測太陽活動在我國上空的響應(yīng)和傳播，為航天航空、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)提供環(huán)境報告;另一方面，它進(jìn)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(fēng)暴的響應(yīng)，參與觀測的有44臺設(shè)備，包括Overhauser 磁力儀、磁通門經(jīng)緯儀、磁通門磁力儀、感應(yīng)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(yuǎn)鏡、激光雷達(dá)、光學(xué)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(rèn)了同步軌道衛(wèi)星尚在磁層的保護(hù)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(qiáng)的電流，但還不足以對地面設(shè)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(fēng)頻繁吹襲地球，磁暴活動、耀斑、日冕物質(zhì)、太陽質(zhì)子活動都日益增多。子午工程動用77臺設(shè)備，進(jìn)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(jīng)過計算，確認(rèn)了發(fā)射日當(dāng)天地磁和宇宙線均不會對發(fā)射產(chǎn)生影響，為天宮一號的發(fā)射完成了保駕護(hù)航。

2021年3月，《自然-物理》雜志上發(fā)表了山東大學(xué)空間科學(xué)研究院劉晶教授團(tuán)隊的科研成果。他們分析多個設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應(yīng)足以影響包括廣袤磁層在內(nèi)的整個地球空間，而不僅局限于先前科學(xué)界認(rèn)為的高層大氣區(qū)域。耀斑發(fā)生時，突然增強(qiáng)的太陽輻射導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率迅速增加，增強(qiáng)了“鎧甲”磁層抵御太陽風(fēng)的能力，使太陽風(fēng)“擊穿”磁層進(jìn)入地球空間變得更加困難，從而減少太陽風(fēng)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(fēng)影響的“自我保護(hù)”屏障。

子午工程前景展望

在子午工程的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)家又發(fā)起了“國際子午圈大科學(xué)計劃”，聯(lián)合子午圈（東經(jīng)120°，西經(jīng)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(jìn)整個地球空間系統(tǒng)多圈層耦合研究，提高共同應(yīng)對空間天氣災(zāi)害的能力。

作為我國空間科學(xué)領(lǐng)域唯一的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為進(jìn)一步促進(jìn)子午工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的開放共享，不斷提升設(shè)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(xué)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(xué)探索的前列。