子午線上觀天地

2019年9月23日20:59:54子午線上觀天地已關閉評論 13 views

沿著東經120°線和北緯30°線,分布著我國空間科學領域的第一個重大科技基礎設施—被稱為子午工程的網絡式空間環境監測系統。這個項目是用來研究什么的?為什么要如此布局?

為了一探究竟,本刊記者采訪了國家空間科學中心的吳季主任。

記者/閆 凱

何謂子午工程?

科學世界:請您介紹一下,“子午工程”是個什么樣的工程?

吳季:“子午工程”是“十一五”國家重大科技基礎設施項目,全稱是“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”。它由兩條“臺站鏈”組成。一條在南北方向上,沿東經120°線附近,北起漠河,經北京、武漢,南至海南,并延伸到南極中山站。另一條在東西方向上,沿北緯30° 線附近,東起上海,經武漢、成都、西至拉薩。兩條線上共有15個綜合性監測臺站。這是一個以鏈為主、鏈網聯合運作的大型空間環境地基監測系統。

科學世界:它是用來研究什么的?

吳季:我們通過用地磁(電)、無線電、光學和探空火箭等多種地面監測手段,隨著地球的自轉,連續監測地球周圍的空間環境。空間環境和我們平時常說的海洋環境、陸地環境、大氣環境不同,可以說是人類生存的“第四環境”,與我們人類的活動和發展息息相關。

科學世界:原來是這樣。那是誰提出的最初設想呢?

吳季:1993年,在我國一個空間物理學的規劃會議上,中科院院士、空間物理學家魏奉思、王水等專家提出,要“做一個大科學裝置,把現有的監測設備都連起來使用”。我國疆域遼闊,南北向、東西向距離均超過5000公里,不可能到處鋪設監測設備。所以,大科學裝置布設的重點,就收縮到我國科研機構相對比較集中的東經120°線的周邊。“子午線”的名稱比較響亮,所以這個項目就被簡稱為“子午工程”。2008年1月5日,子午工程正式開工建設,2012年10月23日通過了國家驗收。

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科學世界:沿著這條子午線布設的監測站,隨著地球自轉,不就可以掃描整個空間環境了嗎?為什么還要在東西方向又設置一條監測鏈呢?

吳季:在項目論證的過程中,科學家們提出來一些新問題,比如“地磁場發生變化的時候,電離層會發生擾動,那么

從低緯度到高緯度的空間環境是不是同時變化的?也就是說,二者之間是不是還有個能量的傳輸過程?如果有,這個傳輸是從兩極傳到赤道,還是從赤道傳輸到南北極?”之類。

南北方向上的空間環境變化,我們稱為“緯度效應”。在子午線上設置監測站,就是要看有沒有緯度效應。同時,還要研究不同地理位置上(南北方向)的電離層、高層大氣的分布和能量傳播情況。東西方向的這條監測鏈也很有意義。

我國地域廣闊,所以我們要充分利用這種家。我們和北面的俄羅斯建立了中俄空間天氣研究聯合實驗室,將探測范圍向北延伸;又和南面的澳大利亞簽定協議共享這條子午線上的監測數據,將探測范圍向南延伸。現在,無論在北半球還是南半球, 只要在東經120°線附近,都有監測臺站。

子午工程地圖

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子午工程由兩條“臺站鏈”組成,最南端的站點延伸到南極中山站。它可以監測地球表面20~30公里以上到幾百公里的中高層大氣、電離層和磁層,以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環境中的地磁場、電場、中高層大氣的風場、密度、溫度和成分等相關參數。

把地球轉過半圈,“國際子午圈計劃”還會涉及西半球的西經60°線。目前主要是美國和加拿大擁有探測技術和設備,他們比我們起步早,但是沒有組建成鏈。此外,我們打算幫助南美洲國家在這條子午線上建設一些監測臺站。這樣一來,兩條子午線接成了一個大圓,在這個大圓上分布的地面監測設施就可以進行聯合監測了。

科學世界:子午工程的各種儀器是怎樣探測空間環境的?

吳季:我們用地磁儀監測地磁場。此外,還有無線電雷達、激光雷達、探空火箭等手段綜合探測。

例如,用雷達向天上發射一個無線電信號,在中性大氣里不會產生回波,直到遇上電離層,才會產生回波。這是因為當電子密度大到一定程度,無線電波就無法通過了,會被反射回來。

到夜間,我們用激光可以打到電離層中的E層(約90公里高)。在這個高度的大氣中有金屬鈉的聚集,對激光有強的反射。通過計算激光返回的時間,可以判斷出該層的高度。根據回波的強度,判斷這地理上的跨度,對比經度不同帶來的效應。實際上,電離層是高空大氣向上擴散被電離以后形成的,而下層大氣的運動大多是東西向運動的,所以,電離層和下層大氣有很大的關系。因為地球有自轉,很多電離層的不均勻結構也是沿著東西方向分布和移動的。這些差異可以從東西方向的這條鏈檢測出來。

另外,由于地球在自轉,電離層隨著太陽照射情況的不同,具有“日效應”, 即正午、子夜、早晨、黃昏,各個時段都有特殊的效應。在東西方向上設立監測站,我們就能隨著地球自轉,連續地監測到一天中的不同地理時間的空間環境的變化。這樣,在東經120°線和北緯30°線兩條鏈上聯合監測,可以同時測得緯度效應和地理時間的效應。

科學世界:子午工程只測量我國境內上空所對應的一小段空間環境,那么東經120°線上的其他部分的空間環境又該如何探測呢?

吳季:我國在南極的中山站也在為子午工程提供數據。

在子午工程建設初期,我們就在倡導“國際子午圈計劃”,希望把我國的地面站延伸到位于東經120°線上的其他國一層的大氣密度的變化。

科學世界:2012年通過國家驗收后, 子午工程有了什么新的研究成果?

吳季:我們找到一些事例,可以證明緯度效應、磁層和電離層耦合。這些科學數據也被應用于我國重大的空間活動,比如載人航天工程等。在嫦娥衛星發射期間,子午工程也提供了空間環境的背景數據。

空間環境與人類息息相關

科學世界:地球的空間環境包括什么?

吳季:地球空間環境包括中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間。大氣層離地面越高,物質就越稀薄。但是,絕對真空是不存在的。到很高的高度時,很稀薄的大氣被太陽發出的紫外線照射,就會發生電離,即變成了電子(帶負電)和離子(帶正電)。由于地球本身就是一個偶極場的大磁體,周圍分布著磁場,所以地球磁場就會推動這些帶電粒子運動。

科學世界:太陽活動是如何影響地球的?

吳季:日地空間是一個耦合的復雜系統。太陽活動與太陽爆發引起的太陽風擾動,通過與地球磁層相互作用,形成地磁暴(地球磁場發生劇烈波動)、亞暴等磁層擾動,并通過一系列耦合系統,進一步影響到地球電離層和熱層,引起電離層暴、熱層暴,產生包括極光在內的中高層大氣劇烈擾動現象。

太陽除了向地球發出各種電磁波,還輸出物質。太陽活動中的“CME事件”(日冕物質拋射事件),是太陽系里最為猛烈的物質拋射和能量轉換過程,也是最為劇烈的爆發過程。通常情況下,“太陽風”是一種很稀薄的比較穩定的等離子體。但是在發生日冕物質拋射事件時,太陽風就會攜帶一大團高密度的帶電粒子, 而且攜帶著特定方向的磁場。當這些物質到達地球附近的時候,它們就會對地球周圍的空間環境狀況造成強烈擾動。

科學世界:日冕拋射的物質是怎樣影響到地球磁場的呢?

吳季:太陽拋出的等離子體攜帶的磁場比地球磁場弱,等離子體本身是帶電的粒子。當它們運動到地球的偶極磁場以后,運動的帶電粒子就會在磁力的作用下,向地球兩極運動。地球磁場有個“剛度”,在一般情況下可以維持自有的形狀。當地球磁場正常的時候,帶電粒子會在距離地球6萬公里遠的地方(磁層頂) 聚集,在地球磁場的作用下發生偏轉后, 粒子就向兩極地區沉降。沒有沉降的粒子繼續向地球背面運動,拖出一條很長的磁尾。

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太陽風來自太陽表面的某一個區域, 所以噴出來的太陽風是帶有一定方向的磁場的。即使它們在向外輸送的過程中也會MST雷達是一種工作在VHF頻段(甚高頻,頻率為30兆~300兆赫茲)的大氣層觀測專用無線電雷達,? 用來觀測中間層(Mesosphere)-平流層(Stratosphere)-對流層(Trosphere)的風場矢量和湍流。

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保留這個方向的磁場。當太陽風運動到地球磁層頂的時候,兩個不同方向的磁場就會發生“沖擊”。

當太陽風很強的時候,太陽風粒子速度很快,等離子體攜帶的磁場強度很強, 甚至會把向陽一側的磁層頂壓迫到距離地球3萬公里遠的地方,這相當于正常距離的1/2。大家都知道,運動的帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力。粒子攜帶的能量和地球磁場發生作用以后,就會使地球的磁場發生擾動。地球磁場給運動的帶電粒子某一個方向上的洛倫茲力,相應地,帶電粒子也會給地球一個相反的作用力,最終使二者合成的磁場發生改變。

科學世界:地球的空間環境變化會對我們造成什么后果?

吳季:主要由于太陽活動,地球周圍的空間環境總是在變化。地球磁場一變化,就會帶動地球周圍粒子的運動發生變化。這樣一來,有的在地球周圍運動的粒子就會被加速,這些能量很高的粒子打在人造衛星上,就可能導致衛星失效。目前所知,有40%的人造衛星故障都是由空間環境因素引起的。

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雙波長三通道激光雷達,可同時獲得近地面至110公里的大氣后散射的回波信號,通過反演得到地球空間環境的中高層大氣的密度、溫度、鈉層密度等大氣參數。

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除此以外,電離層的波動也是由太陽活動引起的,一些技術設施也會受到影響。無線電要通過電離層的反射,進行遠距離傳播。現在的衛星與地面之間的通訊信號也要穿過電離層。如果此時電離層發生擾動,就會讓遙測信號在某處電離層發生折射,導致遙測衛星或者接收信號的時候丟失數據。

在極地,地磁場的磁力線方向是從天空到地面的。如果地面上有個平鋪的大環路的話(如輸電線和輸油管道),當磁力線發生擾動的時候,電線和管道圍成的環路上就會有磁通量的變化,這樣的話就會在“線圈”上產生感應電流。這種感應電流有時會非常大,會燒毀變壓器和輸油設備。

科學世界:太陽風帶來的粒子是如何影響人造衛星的?

吳季:人造衛星是在有粒子的環境中運行的。如果粒子環境很安靜的話,粒子的能量比較低,衛星的太陽帆板上會積累電荷(充電效應)。衛星在通過地球日照面和陰影面的時候,平衡被打亂,這些電荷會突然發生釋放(放電)。放電時,會形成放電電流和輻射電磁脈沖,有的器件就會受到干擾。電磁脈沖被衛星上的數據線接收到以后,記錄數據的“0”會變成“1”,“1”會變成“0”,這樣就會發生數據錯誤。如果嚴重的話,放電的電流打在電氣元件上,這些元件會受到損傷。

如果衛星在高能粒子的環境下運行,這些粒子就會直接穿透衛星元器件的表面,打到芯片上。現在最容易被打壞的就是高集成度的半導體芯片,特別是存儲器,也會發生“0”和“1”互換的錯誤。粒子打在芯片上,實際上是粒子的能量傳遞給半導體的P/N結上了。如果P/N結總 是鎖在“1”的狀態,就變不成“0”了。惟一的辦法就是讓衛星關機,然后再開機。有的時候,衛星就完全損壞了,開關機操作也改變不了了。這種事故是經常發生的。所以我們生產衛星的時候要用“宇航級”的元器件,即使在遭受粒子轟擊的時候,也能保持一定的抗“鎖定”的能力。有的器件要做“三模冗余”設計,就是把3個相同功能的器件并聯,若其中1個壞了,還有另外兩個可以用,在判斷正誤上用三選二。因為這種空間環境事件是不可避免的,只能用各種辦法來克服它可能帶來的影響。

科學世界:發生地磁暴的時候,地磁場的強度有什么變化?

吳季:正常地磁場強度大約是50000nT。n是10-9,T是磁通量密度單位“特斯拉”。地磁暴分為正暴和負暴, 即增加和減少一部分地磁場強度。發生地磁暴的時候,地球磁場的變化會高達10%~20%。

科學世界:在我們的日常生活中,什么現象與空間天氣有關呢?

吳季:在人類進入太空以前,確實沒人特別關注過這個領域。從1957年發射第一顆人造衛星以后,人類就開始關注空間環境了。通常,只有載人飛船、火箭、人造衛星等技術設施可以進入“空間”區域。

如果空間天氣發生變化的話,最直觀的自然現象就是極光。

科學世界:只有極地附近才能看到極光嗎?

吳季:在極端的空間天氣現象中,即便是低緯度地區也能看到極光。我們在《后唐書》里查到記載,在公元775年1月,在長安地區(今陜西西安市部分地區,約北緯34°)就看到了極光。

科學世界:最近有沒有發生過大規模的空間天氣事件呢?

吳季:1989年3月13日,加拿大魁北克地區的電網大停電事故,就是由于空間天氣事件引起的,引起人們的廣泛關注。但是這次事件還不算最大的。

在1859年發生的“卡林頓事件”,應該是最近150年來發生的最大規模的空間天氣事件了。當時在緯度很低的墨西哥(約北緯19°)都能看到極光。在沒有月亮的夜晚,人們可以在極光下看報紙。那時候,世界上已經有地磁儀了,測出北半球地磁場變化比較大,但是高緯度地區的地磁儀讀數甚至都飽和了— 儀器指針已經打到最大讀數,所以人們無法知道當地的真實數據到底有多大。不過在低緯度地區(例如印度)有一些地磁儀保留下了當時的數據,測到地磁相對于正常值突然減小了20%。有報道稱, 在這次事件中,歐洲有一些有線電報網上產生了巨大的感應電流,把終端設備上的電報紙都燒著了。這些都是當時記錄下來的空間天氣事件對人類社會造成的一些影響。

假如我們現在的社會再經歷一次那種級別的地磁暴事件,很多衛星應該都會被毀掉的, 而且地面上很多基礎設施,比如變壓器、石油管道都會被損壞。所幸的是我們現在還沒有遇到那樣大的磁暴事件。向前回溯150年,就已經發生過一次這樣的嚴重事件,如果繼續倒退至1000多年前的唐朝,這中間還可能發生過好幾次重大的空間天氣事件。只是以前還沒有電氣和空間的基礎設施,不會對人們的正常生活造成那么大的影響,因此也沒有留下記錄。

科學世界:當空間天氣發生劇烈波動時,會對生活造成什么影響?

吳季:信鴿是用地磁場導航的,如果發生磁暴的話,信鴿就可能找不到回家的路。所以,信鴿協會要經常關注空間天氣的信息。

海事衛星電話、GPS導航系統,都會因為電離層活動而被干擾。如果用單頻的GPS 設備進行定位,正常情況下精度為10~20 米,被干擾之后偏差可能會有幾百米。

航空公司也很關心空間天氣情況。美國航空公司規定,如果發生重大空間天氣事件,飛越極區的航班的飛行員可以拒絕飛行。因為太陽風粒子會在北極上空沉降,輻射量非常大,如果在這期間通過的話,相當于拍了多次X光片。

人類社會越是依賴空間基礎設施,可能受到空間天氣的影響就越大。在國外,已經形成了由電力系統、航空系統、通信系統、保險公司、戶外活動人員、衛星用戶和衛星研制單位組成的龐大的空間天氣預報的用戶群體。

空間天氣預報為何重要?

科學世界:空間天氣預報能在多大程度上減少這些危害呢?

吳季:如今,很多基礎設施都會受到空間環境的影響。所以,人們希望可以像天氣預報那樣預報空間天氣,并采取一些應對的防護措施。比如,當預報有強烈的太陽活動時,可以先把衛星關機,暫時躲避磁暴,等這陣太陽風吹過去以后再開機。

科學世界:子午工程在預報空間天氣時能起多大作用?

吳季:子午工程主要是提供地面的觀測數據。只有對太陽的觀測才能帶來先兆性的預報參數。比如,日冕物質拋射到行星際空間以后,要走1天半到2天才能到達地球。但如果只是看到拋射現象,那還不能肯定地說“這團物質會到達地球周圍的空間”。

科學世界:這是為什么呢?

吳季:通過地面上的望遠鏡,是可以看到太陽上有物質噴出來了,可是這團物質在行星際空間的運動方式比較復雜,最終可能會跑到別處去。

在太陽和地球之間有一個“拉格朗日點L1”,是太陽和地球的引力平衡點,距離地球約150萬公里。如果在這里放一個衛星,就可以充當探測太陽風的前哨站。美國和歐洲空間局聯合研制的SOHO衛星(Solar and Heliospheric Observatory,太陽和日球層探測器)就是這樣的一顆衛星。如果太陽風一直很寧靜,突然間,衛星監測到的粒子數升高了,說明這團物質已經到了L1點了。太陽風從L1點到地球的磁層頂大概還需要40分鐘時間。在“前哨站”探測到的這些數據很重要,可以用作空間天氣的警報。當太陽風已經到了磁層頂,最終到達電離層,使之發生變化,可能還要經過1~2天。因為大量的粒子聚集、沉降到地球的兩極。地球磁場受到外界壓迫以后, 突然膨脹或者收縮,反過來再影響電離層。這時,很多之前沒有沉降的粒子會運動到磁尾,再通過磁場重聯釋放能量,有一部分又運動回地球兩極。每發生一次空間天氣事件,從開始形成到最后寧靜下來,需要幾天的時間。

子午工程的觀測結果表明,太陽風對地球造成的影響,大部分都是從地球的極區向赤道傳播的。如果高緯度已經發生了空間天氣事件,那么可以預測低緯度也很快就要發生了,于是可以提出一些警報。如果電離層發生變化了,我們預計大氣也會發生變化,因為二者是一種相互的耦合關系。

科學世界:我國現在根據監測到的空間天氣數據能做到預報嗎?

吳季:要想準確地預報空間天氣的話, 首先要有好的物理模型,建好模型后輸入參數,然后就可以演示以后幾天的空間天氣變化了。空間天氣的物理模型的內容很多,包括太陽發生爆發以后,太陽風是怎樣傳輸到地球的?太陽風傳輸到地球以后,怎么和地球磁場發生耦合的?這些耦合又帶來了電離層的哪些變化?電離層和下部大氣的耦合關系如何等等,是個很復雜的模型。只有得到足夠的觀測數據,才有可能建立起一個盡可能準確的物理模型。然后輸入一些參數,就可以做準確的預報了。目前,我們的觀測數據還不夠,對事件發生和發展的機制還在研究、物理模型也還在建立中,整體上處于實驗階段。所以,現在的預報主要還是憑經驗。

科學世界:我們能不能直接用國外的數據做空間天氣預報?

吳季:在第二次海灣戰爭(2003年) 之前,我們已經開始做空間天氣預報了。那時我們還沒有自己的太陽觀測衛星,大量的數據來自國外衛星。但是,戰爭爆發后,我們就收不到他們的衛星數據了。因為美國在這個特殊時期可能要利用這些空間環境的數據,或者怕其他國家利用這些數據干擾他們的軍事行動,于是就把衛星數據封鎖了,直到戰爭過后才恢復開放。

一般來說,做科學研究的衛星,獲得的數據都是向全世界開放的。但上面的例子說明,在某些特殊時期,即使是科學衛星,也可能不開放。所以我們還是需要建立自主的、地面的,乃至空間的空間環境監測系統。

科學世界:那么,您能給我們介紹一下子午工程未來的發展計劃嗎?

吳季:以后,我們還打算對子午工程在我國境內的兩條線進行加密,也就是在東經100°和北緯40°各加一條線,與現有的兩條線一起,組成“井”字形的監測網絡。這個網絡建成后,就可以為我國的空間天氣研究提供更詳盡的科學數據。

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