中国科学院院士王赤

?从子午工程一期开始，全球空间环境地基监测研究的重心开始向中国转移，子午工程二期将完成这个重心的转移，我国将实现空间环境从认知能力向认知与保障能力并重的提升

?太阳活动是地球灾害性空间天气之“因”，地磁暴等近地空间环境响应是太阳风暴与地球空间环境相互作用之“果”。为了研究日地空间天气因果链，子午工程二期通过自主创新突破了一系列关键探测技术

?以子午工程为基础，中国科学家率先提出并主导实施国际子午圈大科学计划（IMCP）  

  文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺

  当前，我国太空资产规模持续壮大，在轨航天器数量已超1000颗，位居世界第二。灾害性空间天气严重威胁太空资产安全，据统计在轨卫星故障有一半左右是受到空间天气事件影响。

  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）近日已正式通过验收，这是我国建成的国际首个覆盖日地空间全圈层（太阳大气-行星际-磁层-电离层-中高层大气）的综合性空间环境地基监测设施，标志着中国空间环境地基监测能力跃居世界领先地位，也进一步增强了对我国航天器的空间天气保障能力。

  “子午工程一期建成后，我国空间环境地基监测的综合性能力取得重大发展，空间天气服务开始成体系化，近5年我们提供了空间站、探月工程等60多次重大航天任务的空间环境保障服务。”中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤告诉《瞭望》新闻周刊记者。从子午工程一期开始，全球空间环境地基监测研究的重心开始向中国转移，子午工程二期将完成这个重心的转移，我国将实现空间环境从认知能力向认知与保障能力并重的提升。

  国际合作中，正在推进的国际子午圈大科学计划，将使我国借势形成全球辐射能力，使得中国空间环境地基监测研究能力实现从“跟跑”“并跑”到“领跑”的超越。

  中国空间天气服务成体系化发展

  《瞭望》：为什么要关注空间天气？

  王赤：当前人类活动逐渐超越陆地、海洋和低层大气的限制，向着更广袤的日地空间延伸。日地空间环境是指地表20～30千米（平流层顶）以上直至太阳表面的广阔区域，涵盖了物理性质不同的中高层大气、电离层、磁层、行星际空间和太阳大气等五大圈层，是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的。日地空间是当前人类航天活动、空间开发利用的主要区域，是与人类生存发展息息相关的“第四环境”。

  日地空间范围内的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。2022年，一次中等空间天气事件导致SpaceX的38颗“星链”卫星提前坠入大气层报废。2024年5月，强烈的太阳风暴袭击地球，罕见的极光现象出现在我国北方地区，全球多地出现大面积短波通信中断、天波超视距雷达探测能力严重下降、全球导航卫星系统（GNSS）失锁等突发状况。

  提升空间天气预报预警水平，是抢占空间天气科技制高点、满足国家发展战略的迫切要求。

  《瞭望》：子午工程在空间科学研究与应用服务中发挥了哪些作用？

  王赤：地基监测是天地一体化空间环境监测体系中的重要组成部分和基础，我国地基监测经历了从零星观测到综合集成的发展路径。子午工程是我国空间科学领域的首个国家重大科技基础设施，旨在建设一个综合性的地基空间环境监测系统。2012年子午工程一期通过国家验收，正式投入运行。至今已经历了一个太阳周（11年），为提升我国空间环境研究和应用水平作出了重要贡献。

  研究方面，子午工程一期取得了一系列突破，主要集中在对我国空间环境区域特征的研究、空间天气扰动的传播规律以及不同空间圈层之间的物质和能量耦合等方面。应用方面，工程为我国重要的空间环境预报保障单位提供了自主数据，应用于载人航天、深空探测等多项国家重大任务的保障中。

  子午工程二期可以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。在我国本土、地球南北极区实现对近地空间（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，并为中国空间天气预报和预警服务提供关键的自主数据。

  在试运行期间，子午工程二期展现出卓越性能，如成功捕捉到2024年5月超级磁暴事件，完整记录日地空间环境对太阳活动响应的全过程，展现了其对空间天气事件的快速、高精度、全局监测能力。利用子午工程二期的监测数据，已发表科技论文96篇，获批专利等48项。

  目前子午工程一期和二期已融合运行。相比国际上其他监测要素和手段较为单一的地基监测网络，如地磁监测网络MAGDAS、国际超级双极光雷达网SuperDARN、国际GNSS服务IGS等，子午工程在国际上覆盖范围最广、监测要素最全、综合能力最强，实现了空间天气链锁变化过程端对端的整体监测，将对太阳活动-日地传输-对地影响的全过程研究产生重大影响。

  自主创新突破关键探测技术

  《瞭望》：子午工程的监测架构是怎样的？

  王赤：地球的磁力线大致沿经线（子午线）分布，空间天气事件一般都沿磁力线传播和演化，而随着地球自转，利用子午线上台站联合探测可实现对空间环境进行扫描观测，类似于给地球空间环境做CT。采用地磁（电）、无线电、光学等手段，可连续监测地球表面20千米到几百千米高度的中高层大气、电离层和磁层，以及十几个地球半径以外的行星际空间。

  子午工程一期利用东经120°子午线附近（北起漠河，经北京、武汉，南至海南并延伸到南极中山站），北纬30°附近（东起上海，经武汉、成都，西至拉萨）中国的15个观测台站，建设了87台不同类型的监测设备。子午工程二期在一期基础上新增了16个台站，并提高一期台站的综合探测能力，形成沿东经100°、120°，北纬40°、30°两纵两横式布局的31个台站、282台监测设备的空间环境监测系统。

  太阳活动是地球灾害性空间天气之“因”，地磁暴等近地空间环境响应是太阳风暴与地球空间环境相互作用之“果”。为了研究日地空间天气因果链，子午工程二期通过自主创新，新增了一系列先进的太阳-行星际监测设备（“一链”），用来监测太阳风暴-日冕活动、日地行星际传播这一关键链条；采用地磁（电）、无线电、光学等手段，对我国区域的电离层、中高层大气、地磁形成网络化的监测能力（“三网”），用来监测地球空间环境的扰动；在极区高纬、北方中纬、海南（南方）低纬、青藏高原4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”探测（“四聚焦”），实现对一些具备特殊空间天气现象以及对中国区域影响较大地区的监测。

  《瞭望》：子午工程二期突破了哪些关键探测技术？

  王赤：工程的最大特点是其完整的日地空间综合监测体系，使其具备对日地空间进行端对端的整体探测研究能力。工程二期新增了一系列探测能力国际领先的大型监测设备，其中包括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，实现了最大视场达到10个Rs（太阳半径）的连续稳定的太阳射电成像与频谱观测能力以及日冕射电活动的三维层析；国际首台全季节观测阵列式大口径激光雷达实现探测高度200～1000千米，其信号灵敏度是国际同类设备的100～200倍；全球探测能力最强的三站式相控阵非相干散射雷达，实现上千千米电离层的CT扫描和3分量速度矢量探测能力；我国首台行星际闪烁望远镜，太阳风三维结构反演能力国际领先。

  推动以我为主的多边国际科技合作

  《瞭望》：中国在国际空间天气预报中发挥了什么样的作用？

  王赤：子午工程大幅提升了中国在空间科学领域开展国际合作的凝聚力和话语权，推动了以我为主的多边国际科技合作。

  例如国家空间天气监测预警中心利用子午工程自主监测数据，顺利完成多轮国际民航组织（ICAO）空间天气国际值班任务。按照ICAO要求，国际民航组织全球空间天气中心（中国）（CRC-CHN）作为当值中心，负责监测全球范围内影响航空运行的空间天气事件，制作和发布航空空间天气产品，并提供空间天气情报咨询服务。依托子午工程监测数据制作的空间天气产品，有效地应用在ICAO服务中，包括空间天气日报产品和ICAO空间天气咨询报。在国际航空空间天气全球服务背景下，彰显我国空间天气监测以及预报预警能力。

  2024年1月，国际空间环境服务组织中国区域警报中心落户怀柔科学城。子午工程是中国区域警报中心业务开展的重要数据基础。中国区域警报中心持续向国际空间环境服务组织提供和交换每日空间天气指数和事件预报产品，开展空间天气预报技术交流和全球协调合作，将为全球共同应对空间天气灾害，构建人类命运共同体持续做出中国贡献。

  《瞭望》：国际子午圈大科学计划进展如何？

  王赤：空间天气是全球性问题，需要全球合力参与。子午工程一期对能量如何从高纬传播到低纬、从地球磁层外部传播到磁层内部的研究，跨出了全球性空间天气研究的第一步。子午工程二期可以实现空间天气观测从太阳到地球的全过程，完成全球性空间天气研究的第二步。以子午工程为基础，我国科学家率先提出并主导实施国际子午圈大科学计划（IMCP），这是全球性空间天气监测研究的第三步。

  IMCP的目标是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。

  IMCP计划将联合跨越东经120°、西经60°子午圈沿线的十余个国家或地区的千余台仪器形成全球分布式地基探测网络，其全球地基分布网络可以把地球空间变为物理信息的三维网格，借助地球自转，每12个小时生成一张地球空间环境的“核磁共振图像”。并与天基探测卫星相结合，在关键格点对关键过程进行详细诊断。同时，近千台不同种类的仪器设备相互定标，将全网络的测量绝对基准维持在一个稳定精准的基线上，不断完善地球环境监测能力指标。例如，地球磁场现在以每百年10%的速率衰减，导致太阳能量粒子和宇宙射线对地球大气的作用大幅增强。这一变化是否影响气候及其他环境因素，需要IMCP这样长期、稳定和综合的全球性观测来判别。

  IMCP自提出以来得到了国际热烈响应，数百位国际科学家参与规划。来自中国、巴西、俄罗斯、泰国、法国、美国等国的20多个研究机构，以及国际组织积极支持和参与。国际子午圈总部于2023年落户怀柔科学城。中巴空间天气联合实验室作为国际子午圈计划在海外建设的先行示范，与巴西国家空间研究院一起建立了南美区域的空间天气监测网络。IMCP的蓬勃发展，将大幅度提升中国在国际空间界的地位和影响力，为人类共同应对全球性的空间天气挑战提供中国方案。□