30年堅守「中華北極」探地測天
■本報首席記者 許琦敏 本報駐京記者 郭超豪
北緯53.5度，東經122.3度，在我國中俄邊境上的黑龍江省漠河縣北極鄉，有一座我國國土最北端的野外觀測台站——中國科學院地質與地球物理研究所空間環境觀測站漠河站。
這裡已差不多是我國最靠近北極圈的地點。每年10月開始飄雪，直到次年三四月白雪方始消融。這人間苦寒之地，卻是科學家探測空間環境的重要地點。
漠河-北京-武漢-三亞，空間環境觀測台鏈沿東經120度子午線，緯度間隔約10度均勻布局。從地理位置上看，該台鏈經過東亞電離層異常區域及蒙古地磁場異常區域，是觀測與研究眾多地球空間物理現象的「黃金鏈」。而漠河站，就在這條黃金鏈的北端起始點上。
自1991年建成開始，漠河站為科學家提供了大量空間環境電離層、中高層大氣以及地球磁場的觀測數據。作為國家重大科技基礎項目子午工程重要台站、中國科學院日地空間環境觀測研究網路骨幹台站、國際電離層無線電觀測網 (GIRO) 站點，漠河站已發展成為擁有地磁、電離層和中高層大氣多學科綜合觀測手段的現代化地球物理野外台站。
未來，這裡還將建立高頻雷達，將探測區域拓展到我國疆域以外一兩千公里，增強高緯電離層動力學過程探測能力。
探秘中高緯電離層，記錄流星蹤跡
在地球的兩極，磁力線呈開放狀。來自太陽的能量和物質通過極區開放的磁力線與地球交互，進而向地球的中低緯地區傳遞和滲透。人們熟悉的極光，就是日地空間環境事件的光學表現———在劇烈的地磁暴中，極光帶可以從極區延伸到中高緯地區。
在越高的緯度開展空間環境監測，越有利於這方面研究的開展。漠河站是目前我國本土緯度最高的空間環境觀測站，具有得天獨厚的空間環境觀測地理位置優勢，是我國開展日地空間環境監測的前哨站點。
上周，冒著-30℃左右的嚴寒，記者走進安放著各種探測設備的台站主樓。
「看，就在一分鐘前，我們剛記錄到了多顆流星。」中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室主任李國主研究員指著一台顯示器上出現的一段段熒光綠色的信號說。
其實，每天有數億顆流星在天空中划過，只是大多數都不會被人們看到，但流星雷達卻可以發現它們的蹤跡。這些「天外來客」墜入地球高空，會影響衛星的工作，還會影響電離層的結構。目前科學家正在發展流星綜合觀測系統，用光學、無線電等多種手段進行觀測。
漠河站於1988年啟動建設，1991年建成。在老一輩科學家的不懈努力下，目前已發展成為空間環境綜合觀測站。
李國主說，30年來，這裡誕生了國家子午工程首批重要科學成果———磁暴期間電離層與等離子體層物質交換的耦合研究，支撐了國家自然科學獎二等獎「電離層變化性的驅動過程研究」。最近，中國科學技術大學中高層大氣研究團隊又利用漠河流星雷達等多台雷達觀測設備，在國際上首次發現，地磁暴能顯著影響極區和高緯中層大氣密度，影響中層背景大氣動力學過程。
紮根漠河觀測站，寂寞堅守30年
李來順，漠河觀測站負責人，五十來歲，典型的東北大漢。
1984年，剛剛高中畢業，恰逢中國科學院地球物理研究所來招人籌建台站，李來順就和另外兩個小伙兒，來到了這個掛著「京字招牌」的單位———這著實讓人羨慕了一陣。三十年一晃而過，他成了唯一始終堅守在漠河台站的人。
值守台站的生活單調到有些枯燥。每三天值班一天，從家中走到一千米外的台站值班，全是泥巴路，碰上雨雪天，穿著水靴得走上半個多小時。他還記得剛建站時，屋子簡陋到門板縫裡可以塞進一個手指頭———外面有多冷，屋裡也有多冷。「我們就在屋子裡燒爐子，水井也在屋子裡。」李來順說，「我一個老爺們也不會自己做飯，夏天吃速食麵，冬天吃凍水餃，這樣的日子過了好多年。」
北極鄉的年輕人，凡是出去讀書的，就沒有再回來的。可李來順卻從來沒想過要離開。「也不單單是因為父母都在這裡，總覺得，有這麼多設備儀器需要照看，心裡放不下。」在他心裡，台站就是另一個家，照看這些儀器是他生命中必須擔負的一份責任。
漠河站的院子從剛建成時候的22畝擴大到現在的53畝，有的設備在露天，有的埋在地下。探測電離層，三十多米高的天線豎在露天，零下三四十攝氏度的低溫下，手指一碰到天線表面，就會被凍住粘上。李來順厚實粗糙的雙手上，隱隱可見一道道印子，「很多儀器調整起來都挺精細，沒法兒戴手套操作，光著手擰螺帽，才幾下就凍得不靈活了，每次調準設備得花一個多小時。」
屋外冰天雪地，屋內溫暖如春，是大部分人對東北的印象。但記錄地磁的設備卻有著特殊的要求———年溫差不能超過5℃，而且不能有任何鐵磁性器件靠近。因此，儀器擺放在地下三五米深的地窖里，每次觀測和記錄，李來順都需要在零度左右的室內，脫掉帶拉鏈、紐扣的保暖外套，穿著單衣和毛衣工作，記錄下每個儀器探測的數據，然後傳回北京。
從最早手抄郵寄，到如今電腦全自動化操作，設備換了一茬又一茬，不變的是李來順的認真和堅持。不要說節假日，就連春節，到了該記錄數據的日子，他沒耽誤過一天。
這份執著和認真，是因為他覺得，科學家發的論文、得的國家獎里，也有他的價值。那一櫥櫃獎狀和證書就是最好的證明。
自主研發儀器，在這裡經受極寒考驗
如何在高緯度、極低溫和其他極端條件下進行探測，裝備的研製堪稱重中之重。多年來，在國家重大項目支持下，中國科學院與院外單位通力合作，地質與地球所在我國深部探測核心裝備研發上取得突破，相繼研發了空天探測、深地探測、海底探測等技術與裝備，關鍵技術打破國外壟斷，部分裝備填補國內空白。
如今，我國已初步形成了空天-地面-井中-海域立體探測裝備體系，為我國資源能源安全保障體系提供了強有力的技術支撐，推動了「向地球深部進軍」的國家戰略。
針對我國未來開展近地空間地球磁場探測的需求，地質地球所自主研製了衛星磁測載荷磁通門磁強計工程樣機、質子旋進磁強計工程樣機、高精度穩定的磁檢測標定系統和數據處理系統。其中，磁通門磁強計的研發達到航天正樣水平，並開展了磁場探測搭載試驗。
在漠河站附近一條冰封雪蓋的小河上，記者看到地質與地球所的科學家正在為他們研製的地面電磁探測系統，與國外儀器做比對試驗。「正常情況下，儀器的性能看不出太大區別，但到了極端環境下，性能差異就會顯現出來。」地質與地球所技術與裝備研發中心副研究員安志國說，為此，他們特地把儀器帶到這裡，在嚴寒低溫下考驗儀器性能。
這樣的測試將持續一兩個月。完成測試之後，這些儀器將跟隨地質地球所的科研人員，在地質勘探、尋找礦藏中發揮重要作用。
電離層為什麼值得關注
距離地面60千米到1000千米的大氣層被稱為電離層，又有「空中魔鏡」之稱。因為對短波無線電信號來說，它就像一面高懸天上、能反射無線電波的大鏡子———人類發展全球短波無線電通訊，離不開它對無線電波的反射和折射。
1901年，義大利發明家、無線電工程師馬可尼率領一個小組在加拿大紐芬蘭的聖約翰斯進行越洋通信試驗。他使用了一個通過風箏豎起的400英尺長的天線，接收到從相隔3000千米外，橫跨大西洋的英國普爾杜發送的無線電信號，從而開闢了無線電遠距離通信的新時代。
1925年，英國物理學家阿普爾頓 ( E.V.Appleton) 和巴奈特(M.A.F.Barnett)，用連續波進行了探測電離層高度的實驗，他們利用變換頻率的電磁波接收到來自電離層的回波，首次直接證實了電離層的存在。
我們通常所說的對流層、平流層、散逸層等，是按地球大氣溫度隨高度分布的特徵來分的。如果按大氣電離狀況分層，則可分為中性層和電離層。
電離層是一個環繞地球的帶電粒子層，是含有相當濃度的自由電子和離子的電離化區域。地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、X 射線和高能粒子的作用下電離，產生自由電子和正、負離子組成的粒子海洋，即電離層。電離層在宏觀上呈電中性。
電離層的變化，主要表現為電子密度隨時間的變化。這個「粒子海洋」浸在地磁場中，帶電粒子的運動必然受到地磁場的約束。電離層的厚度和電子密度會隨晝夜、季節而變化。
電離層變化的主要驅動力來自太陽活動。太陽是一顆非常活躍的星球，它持續的活動，包括光線、粒子和磁場的爆發，都會給地球大氣的電離層注入能量。此外，龍捲風、季風等地球上的天氣也會影響電離層。
電離層的急劇變化，會使地面的無線電通訊受到嚴重影響，甚至還會破壞輸電網。1989年3月13日23時，加拿大魁北克省的供電網路全部癱瘓，全省陷入長達9小時的黑暗和寒冷之中。與此同時，美國、日本的通信衛星出現異常，全球無線電通信信號受到極大幹擾。事後人們才知道，災難的元兇是太陽風暴。它擾亂了地球上空的電離層，而全球無線電通訊所依靠的，正是大氣電離層對無線電信號的反射。
可見，深入了解日地空間環境事件的來源和機理，及早探測和預報日地空間環境事件的發生，就可避免或減少這類事件對人類生產和生活造成的破壞性後果。
(圖文皆由中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室提供)
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