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“北京郊區(qū)拍到極光！”“新疆出現(xiàn)20年難遇的紅色極光！”“南半球爆發(fā)500年一遇的南極光！”2024年5月11日凌晨，全球各地出現(xiàn)絢麗極光。
此時，地球經(jīng)歷著20年未見的超級地磁暴。全球多地大面積短波通信中斷，天波超視距雷達(dá)探測能力嚴(yán)重下降，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號中斷。美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克公開說：“‘星鏈’衛(wèi)星面臨著很大壓力。”
對于地磁暴，中國早有防備。地磁暴發(fā)生的兩天前，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱空間中心）空間環(huán)境預(yù)報中心就發(fā)出了X級耀斑和超級地磁暴的預(yù)警。而他們的自主監(jiān)測數(shù)據(jù)基于一張“觀天巨網(wǎng)”——子午工程。
子午工程利用地基監(jiān)測日地空間環(huán)境。
子午工程是我國空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)，呈“井”字形分布，東起上海，西至拉薩，北起漠河，南抵海南并延伸至南極中山站，282臺監(jiān)測設(shè)備遍布于約960萬平方公里的國土之上，監(jiān)視著從太陽到地球1.5億公里間的蛛絲馬跡。
織起這張“觀天巨網(wǎng)”，耗費(fèi)了中國科學(xué)家30多年的心血，也凝結(jié)了他們矢志創(chuàng)新、攻堅克難、協(xié)同聚力、開放共享的“子午精神”。
矢志創(chuàng)新的科學(xué)追求：
“連夢都不敢做，那就成不了大事”
今年3月21日，超級地磁暴事件發(fā)生時仍處于試運(yùn)行狀態(tài)的子午工程二期，正式通過國家驗收，它與子午工程一期組成了世界最大的監(jiān)測空間環(huán)境的地基網(wǎng)絡(luò)。中國科學(xué)家追逐了30多年的子午夢，正在穩(wěn)步實現(xiàn)。
子午工程二期總指揮王赤（左4）在子午工程綜合信息與運(yùn)控中心指導(dǎo)工作。
早在上世紀(jì)80年代末至90年代初，太陽一度處于周期性活動高峰，全球各地事故不斷。1989年3月13日，太陽風(fēng)暴造成加拿大魁北克地區(qū)電網(wǎng)停電，損失達(dá)10億美元。兩年后的1991年4月29日，強(qiáng)地磁暴又使美國緬因州核電廠遭到災(zāi)難性破壞。
當(dāng)發(fā)達(dá)國家紛紛謀劃發(fā)射衛(wèi)星監(jiān)測太陽時，1993年，負(fù)責(zé)起草中國空間物理發(fā)展規(guī)劃的中國科學(xué)院日球物理數(shù)值開放研究實驗室主任魏奉思感到，發(fā)展中國的空間物理學(xué)，首先要把監(jiān)測空間環(huán)境的能力建設(shè)起來。
沿著這個思路，結(jié)合當(dāng)時國內(nèi)的技術(shù)能力，他想到了一條與國外截然不同的發(fā)展路線——用現(xiàn)有地面觀測臺站，在我國境內(nèi)組建一個覆蓋東經(jīng)120度、北緯30度的“十”字形地基監(jiān)測鏈。
魏奉思把這一科學(xué)構(gòu)想稱為“東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測子午鏈”，簡稱“子午工程”。
在我國尚缺乏成熟空間環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的當(dāng)時，有人認(rèn)為魏奉思的想法“簡直是在做夢，不可能實現(xiàn)”。魏奉思卻篤定地說：“科學(xué)家應(yīng)該有夢想，如果連夢都不敢做，那就成不了大事。”
他與志同道合者一起，通過中國科學(xué)院向國家科技委報送了子午工程項目。經(jīng)過層層選拔，1997年，該項目被國家科技教育領(lǐng)導(dǎo)小組確立為國家重大科學(xué)工程。
2000年，59歲的魏奉思即將退休，尚未落地的子午工程成了他的心結(jié)。思來想去，他聯(lián)系了遠(yuǎn)在美國的中國年輕人王赤：“我們有一個重要的項目馬上就要國家立項，我年紀(jì)大了，你愿不愿意回來？”
從魏奉思的介紹中，王赤意識到，子午工程的設(shè)計“在國際上是獨(dú)一無二的”。這年12月，王赤歸國加入中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心（后更名為中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心），成為子午夢的接力者。
攻堅克難的技術(shù)膽識：
“想在技術(shù)上突破，沒點膽量不行”
2005年，子午工程一期正式立項。2008年，工程建設(shè)啟動并于4年后建成“十”字形觀測鏈。其中，包括15個觀測臺站、87臺不同類型的監(jiān)測設(shè)備。
6年后的2018年，為了滿足全國范圍覆蓋、全圈層覆蓋、立體式探測的需求，子午工程二期立項，并于次年開工建設(shè)。在一期基礎(chǔ)上，子午工程二期新增16個臺站。最終，子午工程覆蓋東經(jīng)100°、120°和北緯40°、30°兩縱兩橫區(qū)域，共有31個臺站、282臺監(jiān)測設(shè)備。
作為子午工程二期總指揮、空間中心主任，王赤介紹：“太陽活動是地球災(zāi)害性空間天氣之‘因’，地磁暴等近地空間環(huán)境響應(yīng)是太陽風(fēng)暴與地球空間環(huán)境相互作用之‘果’。要研究日地空間天氣因果鏈，就要有更強(qiáng)的探測設(shè)備。”
正因如此，從一期到二期，子午工程實現(xiàn)了“從無到有”到“從有到強(qiáng)”的轉(zhuǎn)變。“一期時，我們的研制能力很弱，大部分設(shè)備是從國外購買的。到二期時，我們更希望能夠自力更生，實現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)的突破。”王赤回憶。
“自力更生”意味著要能頂住風(fēng)險和壓力。“想在技術(shù)上突破，沒點膽量不行。”王赤說。
他們大膽地加入國際上從未有過的設(shè)施和技術(shù)。俗稱“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡就是其中最具挑戰(zhàn)性的裝置之一。
圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡。
“千眼天珠”位于四川稻城縣海拔3830米處，是目前全球最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。裝置中，313臺直徑6米的天線均勻分布在1公里直徑的圓環(huán)上，像向日葵一般跟著太陽轉(zhuǎn)動，圓環(huán)正中心是一座百米高的定標(biāo)塔。
為了解決復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，團(tuán)隊突破數(shù)百項影響望遠(yuǎn)鏡功能和性能的關(guān)鍵核心技術(shù)，又克服高寒缺氧、大雪封山的困難，連續(xù)在現(xiàn)場駐守300多天，使得設(shè)備系統(tǒng)集成工作比計劃時間提前50天完成。回憶起這段歷程，“千眼天珠”主任設(shè)計師、空間中心研究員閻敬業(yè)笑著說：“我們在最高的海拔，干了最燃的事。”
除了“千眼天珠”外，子午工程二期還有許多“國際第一”和“世界之最”：陣列式大口徑激光雷達(dá)，是國際首臺全季節(jié)陣列式大口徑激光雷達(dá)；三站式非相干散射雷達(dá)，是全球探測能力最強(qiáng)的相控陣非相干散射雷達(dá)；中緯高頻雷達(dá)，填補(bǔ)了國際超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)測空白；行星際閃爍監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡，接收面積比國際上最大的行星際閃爍監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡多6%……
陣列式大口徑激光雷達(dá)。
三站式非相干散射雷達(dá)。
行星際閃爍監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡。空間中心供圖
通過自主創(chuàng)新，子午工程二期實現(xiàn)了“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的架構(gòu)，具備了進(jìn)行日地空間全鏈條監(jiān)測，我國區(qū)域電離層、中高層大氣、地磁的3層網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測，以及在極區(qū)高緯、北方中緯、南方低緯、青藏高原4個重點區(qū)域監(jiān)測的能力。
協(xié)同聚力的系統(tǒng)思維：
“形散而神聚，無往而不勝”
空間中心懷柔園區(qū)的“子午樓”是子午工程綜合信息與運(yùn)控中心的所在地。運(yùn)控中心的大屏幕實時滾動著來自全國各地282臺設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。屏幕旁邊的墻上，貼著16家子午二期工程參與單位的標(biāo)識，每個標(biāo)識都被印在六邊形上，六邊形連成一片。
王赤自豪地說：“別看設(shè)備分布在全國各地、參與單位很多，我們卻做到了形散而神聚，無往而不勝。”
“形散而神聚”5個字，王赤用了20年才真正摸透。
2005年，子午工程一期立項時，有12家單位參與。當(dāng)時，一位同行善意地提醒王赤：“按照我們的經(jīng)驗，有些大裝置一家做都做不好。你們這么多家做，這么散，怎么管？”
王赤一時給不出答案，只能誠實回答：“我們將參照航天工程的管理方式，摸索出一個辦法。”
20年間，王赤對“這么散，怎么管”的問題越來越有底。他發(fā)現(xiàn)，相比設(shè)備本身，數(shù)據(jù)才是子午工程的“神”，“大家聚在一起是為了從各自不同的專業(yè)領(lǐng)域了解空間天氣的變化規(guī)律，那么，能把大家聚在一起的就是數(shù)據(jù)”。
在業(yè)務(wù)管理上，子午工程采用矩陣化方式，分為空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)3個分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)下面又有很多子系統(tǒng)。“空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，是像感官一樣采集數(shù)據(jù)的探測設(shè)備；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)，對感受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸；科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)相當(dāng)于大腦，可以分析科學(xué)數(shù)據(jù)。”王赤說。
單位間的合作，也在業(yè)務(wù)系統(tǒng)下得以實現(xiàn)。子午工程二期建設(shè)時，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)集成一期和二期監(jiān)測設(shè)備的信息。為了確保監(jiān)測設(shè)備順利接入系統(tǒng)，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)必須在監(jiān)測設(shè)備建成之前具備集成條件。然而，空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)既要建設(shè)設(shè)備，又要開發(fā)相應(yīng)的接口，白天十分繁忙。于是，兩個系統(tǒng)、來自各個單位的100多人，利用晚上的時間進(jìn)行接口調(diào)試，順利完成了一期和二期的設(shè)備狀態(tài)集成。
王赤時常感慨，子午工程之所以能成功地協(xié)同聚力，比起管理之術(shù)，“最關(guān)鍵的是因為大家是為共同的科學(xué)目標(biāo)走到一起的，初心使然”。
開放共享的全球視野：
“因為你們的到來，我們得以延續(xù)”
2024年10月，超級地磁暴事件發(fā)生后不到半年，子午工程科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)副總師、空間中心研究員羅冰顯在第七屆“亞洲大洋洲空間天氣聯(lián)盟研討會”上，介紹了子午工程對2024年5月超級地磁暴的觀測結(jié)果。
聽完報告后，泰國先皇理工大學(xué)教授Pornchai Supnithi找到羅冰顯。抱著試試看的心態(tài)，他問：“我們是否可以獲得子午工程的數(shù)據(jù)支持？”
Pornchai是一名空間天氣研究專家，其團(tuán)隊在泰國多個站點建設(shè)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)和測高儀，在觀測赤道電離層方面有得天獨(dú)厚的條件。然而，赤道等離子體泡、赤道異常等電離層異常擾動過程是一個沿著子午線、從赤道向低緯甚至中緯延伸和擴(kuò)展的過程。這讓位于南方的泰國“望北興嘆”。
回國后，羅冰顯第一時間與子午工程科學(xué)運(yùn)行團(tuán)隊進(jìn)行溝通，很快便將整理好的數(shù)據(jù)共享給了Pornchai。
這次合作讓泰國先皇理工大學(xué)備受鼓舞。了解到空間中心正在推動國際子午圈大科學(xué)計劃后，他們主動申請加入。“目前，我們正在準(zhǔn)備簽署國際子午圈合作諒解備忘錄。”羅冰顯說。
對于子午工程里的科學(xué)家來說，開放共享的理念貫穿始終。早在2002年，子午工程一期立項前，魏奉思就提出過“國際空間天氣子午圈計劃”，希望以開放的姿態(tài)促進(jìn)世界空間科學(xué)發(fā)展。
2014年，作為國際子午圈大科學(xué)計劃的先行示范項目，中國-巴西空間天氣聯(lián)合實驗室成立。當(dāng)中巴雙方聯(lián)合研制的鈉鉀雙波長激光雷達(dá)傳回第一組鈉鉀密度數(shù)據(jù)時，巴西國家空間研究院激光項目組高級工程師Pimenta激動地說：“因為你們的到來，我們整個項目組得以延續(xù)！”
“在完成子午工程一期、二期之后，國際子午圈大科學(xué)計劃是我們推動全球性空間天氣監(jiān)測研究的第三步。”王赤說。
如今，子午工程“井”字形“觀天巨網(wǎng)”正在向全球延展。“目前已有數(shù)百位國際科學(xué)家參與規(guī)劃，我們得到了來自巴西、俄羅斯、泰國、法國、美國等國的20多個研究機(jī)構(gòu)以及國際組織的積極支持。”王赤說。
新手指南
我是買家
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