子午工程：空間科學國之重器

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2012年10月23日，我國空間科學領域首個國家重大科技基礎設施項目——東半球空間環境地基綜合監測子午鏈（簡稱子午工程），在北京通過國家驗收。

「子午工程是國際上監測空間範圍最廣、地域跨度最大、監測空間環境物理參數最多、綜合性最強的地基空間環境監測網，達到世界領先水平。」驗收專家的高度評價，標誌著歷時4年多工程建設、完成投資逾1.6億元人民幣的這項國家大科學工程進入正式科學運行階段，讓現場不 少「子午人」熱淚盈眶。

探空火箭

三維監測全球空間環境

空間，是除陸地、海洋、大氣之外人類面臨的第四環境，也是世界主要國家競爭的重要戰略制高點。在現代科技廣泛運用的今天，空間環境的變化深刻影響著人類生活。在地球表面20公里至30公里以上的中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽大氣所構成的空間中，經常發生磁暴、太陽風等空間災害性事件，就像天氣變化中的狂風暴雨一樣，不但會造成通訊中斷，還會危及航行安全。

人們不會忘記，在1989年的「魁北克事件」中，太陽活動所導致的感應電流致使變電站被燒毀，600多萬人在寒冷和黑暗中度過了9個多小時，造成幾千萬美元的損失；2003年10月，SOHO等重要科學研究衛星的探測儀器損壞，數據丟失……這些都是太陽活動「惹的禍」。

因此，美國科學家曾預言，人類未來面臨的最大自然災害之一可能就是太陽風暴引起的電網崩潰。

太陽活動如何影響日地空間環境？如何減少災害性空間天氣對人類的影響？這是人類迫切需要了解的問題。

國際社會高度重視災害性空間天氣及其影響，著力開展空間天氣的探測和研究。地基探測具有探測方法完備、高穩定性和高可靠性等優點，成為國際上空間天氣探測的熱點和發展趨勢。

比如，美國在近20年建立了立體空間環境監測體系，在地基觀測上也部署了南美地磁場子午線監測鏈（SAMBA）、中大陸地磁場監測鏈（MCMAC）、太陽光學監測網路（ISOON）等；加拿大地球空間監測系統（CGSM）形成了對北半球高緯和極區的空間環境地基監測網；日本的MagDAS 計劃則是世界上規模最大、跨度最長、站點最多的地磁監測鏈；俄羅斯先後發射了一系列空間環境探測衛星，獲取太陽、行星際空間、磁層、電離層等日地空間環境監測信息，同時建立了發達的地基台站。

在空間科學領域，中國仍是新興國家。為發展空間科學，提高我國對空間天氣的認知能力，結合我國地域特性和國際發展趨勢，我國科學家創造性地提出，沿我國東經120度和北緯30度建設兩條地基觀測鏈，這就是備受國內外關注的東半球空間環境地基綜合監測子午鏈項目（簡稱子午工程）。

「其目的是了解我國上空這種局域性的空間環境變化規律，及其與地球系統全球性變化間的關係，更有效地應對空間天氣災害。」擔任子午工程科技委主任的中國科學院院士魏奉思表示。

子午工程數據中心

子午工程緣起

提起子午工程，則要從25年前說起。1993年，我國著名空間物理學家魏奉思在負責起草《中國空間物理髮展戰略規劃建議書》時，率先提出了建立空間環境監測子午鏈的科學構想。

彼時，對於這一設想的提出，出現了兩種不同的聲音。一部分人贊同這樣的設想，還有一部分人則認為這個設想是天方夜譚，根本不可能實現。面對分歧，魏奉思始終認為，搞研究，不應該僅僅局限於在某個領域裡面申請點基金，搞點項目，發點文章，而是要謀求學科發展，抓發展戰略，「科學家應該有夢想，如果連夢都不敢做，那就成不了大事。」魏奉思堅定地說。

隨後，魏奉思了解到中國科學院正在向國家科技委報送重大科學工程計劃，於是他建議把「東半球空間環境子午圈監測鏈」項目報上去。在時任中國科學院國家空間科學中心所長姜景山等領導的支持下，我國五部委11家單位的科技專家們於1994年初起草了《子午工程建議書》，並作為附件隨同《中國空間物理髮展戰略規劃》報送國家科學技術委員會（今科學技術部）。

經過嚴格選拔，1997年6月，國家科技教育領導小組確定子午工程為國家重大科學工程。又歷經多年的籌 劃、準備和推進，2008年1月「子午工程」正式開工建設。

子午工程由中科院牽頭，聯合教育部、工業和信息化部、中國地震局、國家海洋局、中國氣象局等七部委所屬的十二家法人單位共同建設並運行。作為子午工程項目法人，中科院國家空間科學中心總體負責子午工程建設和運行管理工作，中國科學技術大學、中科院地質與地球物理研究所、北京大學、中國電子科技集團第二十二研究所、中國氣象局國家空間天氣監測預警中心、中科院大氣物理研究所、中國極地研究中心、武漢大學、中國人民解放軍總參氣象水文空間天氣總站參與，幾乎凝聚了我國空間天氣和空間物理學界的所有科研工 作者的力量。

7個部委，12家參與單位，15個監測站，87台無線電、地磁、光學、 宇宙線、火箭等觀測設備，以及研究中高層大氣、電離層、磁層、行星際等不同圈層的科學家。

海南峨蔓站

將所有這些都聚集到一個國家重大科技基礎設施項目之中，在很多人看來，如何彙集、組織各科研領域、研究方向的科學智慧是一大難題。

確實，參加子午工程的12家單位管理機制各異，參與監測研究所涉及不同學科，整個項目的調度與管理錯綜複雜，空間中心作為項目牽頭單位，要組織好這些沒有行政隸屬關係的單位開展工作，無疑是一個巨大的挑戰。

在迎接挑戰的同時，科學家們更多看到的是實現科學突破的機遇。「子午工程很大的特點就是它是一個多參數的綜合觀測體系，多參數耦合、綜合地解決科學問題，是子午的科學目標之一。」空間中心主任王赤表示。

空間不是一個孤立的系統，上面受到太陽活動、電磁層的擾動，下面受到火山、地震、海嘯等地球活動的影響。與空間大氣的分層一樣，研究空間大氣的科學家也聚集在各自的「層」。

「單個設備、單台儀器、單個現象的科學研究已經走到了盡頭，如果大家不『交叉』，還是單打獨鬥，就不需要子午工程了。」王赤說，「培養科研人員多學科交叉的視野，也是子午工程以後能夠取得重大科學突破的土壤之一。」

事實上，子午工程從建設初期開始便在不斷呼籲學科、領域間的交叉 與交流，並從制度上加強建設。

中科院專門成立了由副院長擔任組長的子午工程項目建設領導小組。同時，空間中心成立了項目建設工程經理部，由時任空間中心主任吳季擔任總經理，副主任王赤擔任項目總工程師。有了領導的全力支持和完善的組織保障，建設團隊信心十足。

在深入調研的基礎上，針對多單位聯合工作的複雜性，項目建設團隊創造性地提出了「技術業務依系統，運行管理按單位」的矩陣式管理模式，從而有效避免了技術和管理之間相互牽制的情況，極大地提高了管理效率。

為了使近400人的「大家庭」更有凝聚力，項目建設團隊在「家規」上下了大功夫。經過廣泛細緻的調研，項目辦公室編寫了《子午工程實施及管理計劃》。這份3 萬多字的「家規」，覆蓋了組織機構、工程計劃、管理要點和技術規範等多方面內容，形成了一套12家單位都能共同遵守的規範，使子午工程有了統一的「語言」。

巧妙構建「空間長城」

科學家們賦予子午工程的使命主要是探索日地空間第二大挑戰性問 題：太陽上發生的擾動如何經過浩瀚的行星際空間傳播到地球空間，進而如何影響地球空間環境？

具體而言，子午工程的科學目標是了解災害性空間天氣的變化規律；研究我國空間環境的區域性特徵及其和全球特徵的關係；與衛星觀測相結合，建立空間天氣因果鏈模式，探索完善綜合性的空間天氣預報方法。

實際上，我國空間環境的地基監測歷史悠久，但是過去的地基監測多是單個台站進行孤立的監測，沒有形成協調統一的觀測體系。

如今，為了實現這一全新的科學目標，科學家們可謂煞費苦心。結合空間環境的特徵，他們巧妙地構建起子午鏈：沿東經120°子午線附近，利用北起漠河、經北京、武漢，南至海南並延伸到南極中山站，以及東起上海、經武漢、成都、西至拉薩的沿北緯30°緯度線附近現有的15個監測台站，建成一個以鏈為主、鏈網結合的，運用地磁（電）、無線電、光學和探空火箭等多種手段，對近地空間環境進行全面連續監測。

簡單來說，就是在中國境內搭起了一座長約3000公里，高達幾百公里的「空間長城」，科學家可將地球表面、中高層大氣、電離層、磁層，乃至十幾個地球半徑以外的行星際空間環境一次性「盡收眼底」。

子午工程由空間環境監測系統、數據與通信系統和研究與預報系統組成。其中，空間環境監測系統是子午工程獲取數據的來源，可謂子午工程的「軀幹」；數據與通信系統、研究與預報系統則分別是子午工程的「心臟」和「大腦」，三大系統相輔相成，協同工作。

與此同時，子午工程的15個觀測台共部署了87台監測設備，包括地磁設備、地電設備、光學設備、無線電波設備等。這些設備就像長城上的瞭望台，相互配合，對不同維度進行鏈條式觀測。

除了測量地磁場、地電場和大氣電場的設備外，子午工程部署的其餘監測設備均採用遙感探測方式實現對高空物理參量的測量，從而使子午工程的探測範圍大大拓展，從20~110千米高度的中高層大氣、60~1000千米高度的電離層，擴展至7萬千米高度以上的行星際空間。

與中國廣闊的領土相比，15個觀測台、87台監測設備顯然微不足道。然而它卻以其之「小」，窺見地球空間環境之「大」，實現了對空間環境的360度全景觀測。

2010年6月3日，「子午工程」氣象火箭在海南探空火箭發射場成功發射，並首次採用GPS技術獲得了我國低緯度地區20～60公里高度的高精度大氣溫、壓力和風場的探測參數。

2011年5月7日，「子午工程」探空火箭成功發射，成功進行了中國低緯地區電離層的探測和中高層大氣的探測，試驗搭載的「鯤鵬一號」探空儀，包括雙臂探針式電場儀、大氣微量成分探測儀、朗繆爾探針三個科學探測有效載荷，獲取了200 公里以下中高層大氣微量成分、電離層電場、電子濃度、離子密度等空間環境參數的原位探測數據。

4年多的艱苦卓絕的努力，終於收穫了累累碩果。2012年10月，子午工程最終通過國家驗收。但是，子午工程團隊並不輕鬆，因為他們還面臨著更多前所未有的挑戰。

海南VHF 天線陣

子午在行動

建立至今，子午工程已運行5年多，產生了大量的監測數據。這些數據從各觀測台站彙集到子午工程數據中心，再進行標準化處理後成為更高級的科學數據，供全世界科學家使用。

這使得過去分散、單打獨鬥式的研究格局正悄然發生改變。我國科學家利用子午工程的數據，已經在空間環境圈耦合、擾動現象大尺度傳播等重大科學問題上取得顯著成就，多數研究成果都採用了多台站監測數據。這在子午工程建成之前是無法想像的。

當然，除了用於科學研究之外，子午工程的監測數據對促進我國空間天氣預報事業的發展同樣責無旁貸。為此，子午工程專門建立了空間天氣民用預報服務平台和軍用預報保障平台。

另外，科學家還利用子午工程的探測數據開展大量的預報模式研究工作，在子午工程中部署了多個空間天氣模式。

值得注意的是，子午工程的成功建設還創造了我國空間科學技術領域的多項第一：建成了我國第一個以科學目標為導向的、分散式的網路化大科學裝置；建成了我國第一台、亞洲最先進、探測能力達到國際頂級水準的非相干散射雷達；建成了我國第一台數字波束、可掃描式高頻相干散射雷達；建成了國內首台全固態數字陣列脈衝多普勒體制的MST雷達。

子午工程為建立我國以自主觀測為基礎的近地空間環境地基綜合監測網立下了汗馬功勞。2014年，子午工程建設成果獲得了中國地球物理科技進步獎（團體獎）一等獎。

作為目前國際上跨度最長、綜合性最高的地基空間環境監測鏈，子午工程使我國在空間天氣領域的知名度和國際影響力顯著提升。美國著名期刊Space Weather 通過封面文章對子午工程進行了專題報道，並給予高度評價，認為子午工程是一個「雄心勃勃、影響深遠、非常震撼的項目」。

國際空間科學界著名專家也對子午工程進行了高度評價。國際日地物理委員會主席、美國宇航局戈達德空間飛行中心資深科學家Nat Gopalswamy 認為，「來自空間天氣子午工程各個觀測台站的數據，令人印象非常深刻，你們實現了對大氣各個分層情況的監測」。

然而空間科學的發展，任重道遠。子午工程只是起步，要實現和平利用空間、使空間成為未來經濟社會發展的重要增量這一目標，我們還有很長的路要走。

描繪地基探測新藍圖

實際上，子午工程一期部署的15個綜合性監測台顯然不足以「應付」中國廣袤的國土，而且子午鏈上還有新疆、西藏等多個地區仍未被覆蓋。隨著空間天氣預報水平的不斷提升，對空間環境的精細結構的研究與監測有了迫切的需求。

捕小魚，需要更密的網。為了更好地探測和研究空間環境，科學家們建議，將子午工程的監測台站間距從目前的500~600千米縮小到200~300千米， 同時在東經100度和北緯40度附近增加兩條觀測鏈，和一期的觀測鏈共同形「井」字形的探測網，實現對我國國土區域的基本覆蓋，提升捕捉小尺度空間天氣現象能力，更加清晰地探測大尺度的現象。

經過多次研究論證，科學家們提出，子午工程二期的探測重點應在我國北方中緯度地區（空間天氣擾動從極區向赤道傳播的必經之路）、青藏高原地區（獨特的地理環境產生獨特的岩石圈—大氣層—電離層耦合現象）、海南地區（低緯度電離層異常頻發的區域）、南北兩極地區（太陽風進入地球磁層的窗口，是空間天氣擾動的重要源區）。

由於太陽是空間天氣的源頭，因此，子午工程二期還將增加對太陽的直接觀測設備，主要是射電望遠鏡、光學望遠鏡等，從而將形成從太陽到行星際空間，到地球磁層，到電離層，直至中高層大氣的全鏈條的觀測能力。

子午工程二期一提出，很快就得到了國家戰略規劃部門的肯定。《國家重大基礎設施建設中長期規劃（2012~2030）》明確提出， 要「 建成空間環境地基監測網，揭示空間環境的時間和空間變化規律，並逐步形成覆蓋更多重要區域的空間環境監測、預警能力」。

2016年7月，在國家發改委組織的「十三五」國家重大科技基礎設施專家推薦會上，子午工程二期獲得一致推薦，成功入選《國家重大科技基礎設施「十三五」規劃》。

2018年1月，子午工程二期正式立項，一切正在按計劃如火如荼地進行中。5月3日，空間中心與蘭州大學舉行簽約儀式，雙方將共建子午工程二期，工程預計將於2022年完成建設。「蘭州地區是北緯40度和東經110度交匯節點，是子午工程的重點監測區域，建立國家子午工程將使蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站（SACOL）從當前的地面和低層大氣觀測，向中高層大氣觀測擴展，將大氣科學研究延伸至空間科學。」王赤表示。

子午工程二期將重點布局西部區域建設日地空間環境監測站點，在東經100 、北緯40度建成橫跨國土兩橫兩縱的多種檢測設備、多站點的網路監測系統，並且覆蓋青藏高原，形成我國上空貫穿整個日地空間的多參數空間環境基本監測能力。

探空火箭發射

子午走向世界

隨著子午工程國際影響力的不斷提升，中國「子午人」並沒有局限於自己「圈」中，而是將目光放得更加長遠。和中國一樣，像美國、加拿大、日本等一些國家都有針對性地部署地球空間系統監測研究的大科學工程或科學計劃。

但是，目前國際上地球空間系統監測尚未形成全球整體的監測體系，仍有區域性和單一性等局限。而要詳細了解全球不同區域的空間環境，則需要在完整的子午圈上進行觀測。

為此，我國的科學家創造性地提出，以子午工程為基礎和核心，通過國際合作，開展「國際空間天氣子午圈計劃」（簡稱國際子午圈計劃），即將中國的子午鏈向北延伸至俄羅斯，向南延伸到東南亞相關國家及澳大利亞等，將分布於西

經60 度附近的地面觀測台站納入聯網觀測，形成第一個也是唯一環繞地球一周的地基空間環境監測子午圈，實現日夜24小時、全球緯度的同時觀測。

國際子午圈計劃的巧妙在於，利用了東經120° / 西經60°子午圈是全球陸基觀測台站最多的地理特徵，以及許多基本的近地空間天氣過程沿子午圈發生的物理本質。隨著地球自轉，對比兩個經度相距180度位置上的空間環境變化，再結合空間衛星探測，使得全面了解空間天氣全球結構的時空變化規律成為可能。

其實，國際空間天氣子午圈計劃構思由來已久。2002年，魏奉思就提出中國牽頭做國際空間天氣子午圈計劃的計劃。至今，該計劃已醞釀了16年。直到2018 年3月國務院印發《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》，鼓勵科學家以實現重大科學問題的原創性突破為目標，牽頭組織大科學計劃，推動世界科技創新與進步、應對人類社會面臨的共同挑戰。

此時，才真正迎來了實施國際子午圈計劃的新機遇。「國際子午圈大科學計劃的時機成熟了。這個計劃要關注『圈』上不同國家和地區共同關心的問題，解決人類共同面臨的問題。」魏奉思說。

為了更好地實現科學目標，凝聚國際智慧，國際子午圈計劃設計了「四大平台，一個組織」的組織思路，包括協同監測平台、科學研究平台、信息共享平台、人才培養平台和國際子午圈計劃組織。

這就意味著，國際子午圈不僅強調聯合子午圈上國家和地區發展多台站、鏈網式、多學科交叉的協同監測能力，還將建立國際子午圈信息共享和人才培養平台，促進地球空間系統全球行為及多圈層耦合研究，提高共同應對地球空間傳統與非傳統災害的能力。

作為被眾多國際同行機構和世界著名空間科學家讚譽的「中國傑出的創見」，國際子午圈計劃一經提出就得到廣泛認同，並得到了俄羅斯、澳大利亞、加拿大、美國、巴西等國家相關機構與科學家的積極響應。

2011年，國際子午圈計劃正式列入聯合國「國際空間天氣倡議」。2012年8月，美國發布的《太陽與空間物理十年發展規劃》將國際子午圈計劃列為兩個最重要的國際合作項目之一。

目前，國際空間天氣子午圈計劃（一期）已經開始建設。2014年8月，空間中心和巴西國家空間研究院（INPE）聯合成立了「中國—巴西空間天氣聯合實驗室」和「中國科學院南美空間天氣實驗室」，聯合實驗室將主要負責西半球子午鏈的聯合觀測和數據匯交，開展東、西半球近地空間環境的探測與研究。

在可以預見的未來，隨著子午工程二期的建成和國際子午圈計劃的順利實施，有助於實現協調全球空間天氣聯測及共同研究，推動國際空間研究的發展，將為人類開啟探索空間、利用空間的新篇章。

文章來源：《科學新聞》雜誌

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