文/任麗文 魯暘筱懿 楊昉

地球空間是指位于地球與太陽系行星際之間的空間，是影響環(huán)境和氣候變化能量過程的一大未知領(lǐng)域，特別是位于6—1000千米高度的近地地球空間，是來自太陽和地球的能量相互作用耦合影響地球系統(tǒng)行為的關(guān)鍵區(qū)。

近地地球空間的“顯示屏”作用

近地地球空間是極端空間天氣的發(fā)軔區(qū)。極端天氣是一種太陽能量在地球空間的電磁湮滅，對(duì)經(jīng)濟(jì)乃至人類生命造成嚴(yán)重威脅。據(jù)2008年美國國家科學(xué)院的專門研究報(bào)告，如果人類有記錄的最大空間天氣事件，即發(fā)生于1859年電氣時(shí)代之前的“卡靈頓事件”，其第一年在美國造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)兩萬億美元，是災(zāi)難性的卡特琳娜颶風(fēng)的20倍，潛在的生命損失在百萬以上。在高度電氣化和網(wǎng)絡(luò)化的今天，人類生活對(duì)技術(shù)系統(tǒng)極度依賴。空間天氣一旦對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成打擊，可能出現(xiàn)全國性癱瘓，醫(yī)院、互聯(lián)網(wǎng)、城市交通、應(yīng)急系統(tǒng)，乃至耗費(fèi)大量電力的大數(shù)據(jù)中心全面失靈。另一方面，大多數(shù)世界大城市的平均食品儲(chǔ)備僅能滿足四天需求，根本無法支撐系統(tǒng)修復(fù)所需要的數(shù)月時(shí)間，其災(zāi)難性后果和一次大規(guī)模核打擊相似，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一次九級(jí)大地震。

由于近地地球空間區(qū)位特殊，高于飛機(jī)、氣球等探測(cè)手段，又低于科學(xué)衛(wèi)星軌道高度，使得地面設(shè)備成為唯一可以全面探測(cè)研究該領(lǐng)域的手段。對(duì)這一系統(tǒng)開展全面的科學(xué)觀測(cè)，需要在地球表面盡可能多的網(wǎng)點(diǎn)部署科學(xué)儀器，并利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)技術(shù)將科學(xué)儀器串接起來，形成一個(gè)持續(xù)的全球性觀測(cè)能力，從地球表面到數(shù)千千米高度的地球空間，對(duì)環(huán)境與氣候變化的關(guān)鍵要素和物理機(jī)制開展多學(xué)科研究。

通過觀測(cè)研究，近地地球空間可以成為一個(gè)類似等離子體顯示屏的媒介。上部的太陽、行星際、外地球空間，下部的地殼、海洋和低層大氣的運(yùn)動(dòng)和天氣現(xiàn)象，通過各種耦合方式在這個(gè)屏幕上留下映像。通過對(duì)這些映像的分解和反演，我們可以形成對(duì)上部和下部驅(qū)動(dòng)過程的狀態(tài)描述和預(yù)測(cè)，建立對(duì)相關(guān)自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。例如，空間天氣災(zāi)害的前兆可以通過對(duì)極光、地磁信號(hào)的監(jiān)測(cè)獲取。地震和大氣災(zāi)害可以通過電離層電子密度的變化和波動(dòng)形態(tài)追蹤。

地球電離層和高層大氣好比一個(gè)顯示屏，如“地磁場(chǎng)變化”“地震活動(dòng)”“溫室氣體”等都可通過這個(gè)顯示屏顯示出來

國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃

國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃由中國科學(xué)家提出并主導(dǎo)，以我國子午工程為核心，聯(lián)合東經(jīng)120°、西經(jīng)60°子午圈沿線十余個(gè)國家千余臺(tái)各類儀器，對(duì)地球空間系統(tǒng)進(jìn)行全緯度、全天候觀測(cè)。

其科學(xué)目標(biāo)是將地球空間、地球大氣、地表各圈層作為整體系統(tǒng)，開展全球多要素綜合觀測(cè)，深入研究地球系統(tǒng)物質(zhì)在太陽和地球活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示空間天氣與全球變化的相互影響，為應(yīng)對(duì)地球?yàn)?zāi)害和國家空間安全決策提供科學(xué)依據(jù)。

子午圈北延臺(tái)站示意圖

在國際和國內(nèi)科學(xué)工作組共同努力下，國際子午圈計(jì)劃項(xiàng)目進(jìn)展順利，在本領(lǐng)域國內(nèi)外科學(xué)團(tuán)體中達(dá)成了共識(shí)，凝練了科學(xué)目標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行了科學(xué)深化工作。國際合作和推進(jìn)方面，國際子午圈論壇得到國際科學(xué)界的積極響應(yīng)和支持。

目前，國際子午圈計(jì)劃項(xiàng)目的先行示范及相關(guān)國際合作進(jìn)展順利。在2012年國家國際科技合作專項(xiàng)“國際空間天氣子午圈計(jì)劃（一期）”、2018年北京市科委課題“國際子午圈大科學(xué)計(jì)劃深化論證及示范”課題、2021年中科院國際伙伴計(jì)劃以及“中巴空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”“中俄空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”等渠道的支持下，我國與子午圈上主要國家合作進(jìn)行了一系列的科學(xué)研究、聯(lián)合探測(cè)活動(dòng)：中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心運(yùn)行良好；中國—巴西空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院南美空間天氣實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行良好；太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）合作進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)將于2024年發(fā)射；中意電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星合作進(jìn)展順利：2018年“張衡一號(hào)”01星電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星成功入軌運(yùn)行，“張衡一號(hào)”02衛(wèi)星工程處于初步設(shè)計(jì)階段，預(yù)計(jì)2022年發(fā)射入軌；我國與法國、英國等國開展了跨越歐非子午線的歐非鏈的預(yù)先研究等。

國際子午圈計(jì)劃項(xiàng)目已經(jīng)與國際科研機(jī)構(gòu)和國際組織達(dá)成眾多合作意向：與巴西（巴西國家空間研究院）、俄羅斯（伊爾庫斯克日地物理研究所和極地研究所）、美國（麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)洛杉磯分校）、加拿大（加拿大空間局）、泰國（國家天文研究所）、法國（國家研究中心、巴黎天文臺(tái)、比利牛斯天文臺(tái)）、澳大利亞（阿德萊德大學(xué)），以及國際日地物理委員會(huì)（SCOSTEP）、歐洲非相干散射雷達(dá)組織（EISCAT）等10多個(gè)國家的20多個(gè)機(jī)構(gòu)以及國際組織建立合作關(guān)系，簽署系列合作協(xié)議和備忘錄。

近期將與亞太空間合作組織（APSCO）達(dá)成初步合作意向，擬利用APSCO多邊平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，共同促進(jìn)國際子午圈計(jì)劃在東南亞的合作。目前，工作組正在制訂國際子午圈與SMILE衛(wèi)星聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃，針對(duì)極區(qū)空間環(huán)境進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)。同時(shí)，國際子午圈聯(lián)合探測(cè)工作組已經(jīng)制訂了2021年國際聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃，將根據(jù)空間天氣預(yù)報(bào)情況適時(shí)啟動(dòng)聯(lián)合探測(cè)。

位于懷柔科學(xué)城的國際子午圈總部大樓正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2022年竣工。

中俄加強(qiáng)科技合作

俄羅斯地域廣闊，具有高緯度的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，有著很長時(shí)間的、連續(xù)不斷的電離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。我國北方至俄羅斯北部，包括亞極光帶的中高緯地區(qū)，會(huì)受到來自北極區(qū)極端空間天氣的影響，同時(shí)也是電離層高中低緯耦合與擾動(dòng)傳播的重要場(chǎng)所。在空間天氣發(fā)生強(qiáng)擾動(dòng)的條件下，北極電離層眾多動(dòng)力學(xué)過程和不均勻體結(jié)構(gòu)均可直接膨脹或傳輸?shù)皆搮^(qū)域，直接影響該區(qū)域的電離層狀態(tài)，嚴(yán)重干擾通信導(dǎo)航、航空航天、超視距雷達(dá)探測(cè)等活動(dòng)。該區(qū)域作為我國空間環(huán)境的上游也是極區(qū)空間天氣擾動(dòng)沿子午線傳播到我國中低緯地區(qū)的必由之路。對(duì)該地區(qū)的大范圍、全程監(jiān)測(cè)不僅對(duì)電離層南北耦合等重大科學(xué)問題非常重要，也為我國的電離層擾動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警提供支撐，對(duì)我國空間天氣研究和監(jiān)測(cè)有重要意義。同時(shí)，地磁北極正在加速（55千米/年）向俄羅斯移動(dòng)，俄中受空間天氣事件的影響將加大。

俄羅斯的空間天氣地基監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由俄羅斯科學(xué)院以及幾所開展空間天氣、空間物理研究的大學(xué)建設(shè)，監(jiān)測(cè)要素包括太陽監(jiān)測(cè)、電離層監(jiān)測(cè)、宇宙線監(jiān)測(cè)、中子監(jiān)測(cè)、中高層大氣監(jiān)測(cè)、地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)等。西伯利亞的太陽射電望遠(yuǎn)鏡是俄羅斯最大的天文監(jiān)測(cè)設(shè)備，專為5.7Hz波段范圍內(nèi)的太陽活動(dòng)而設(shè)計(jì)，并且能觀測(cè)到整個(gè)日盤。大太陽真空望遠(yuǎn)鏡用于觀測(cè)高空間分辨率的太陽大氣結(jié)構(gòu)。俄羅斯在地磁觀測(cè)方面具有長久的歷史和得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，擁有完備的地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，有十多個(gè)地磁臺(tái)站及幾十臺(tái)地磁設(shè)備，其地磁觀測(cè)具有多手段、長周期、大跨度等特點(diǎn)。俄羅斯的電離層觀測(cè)也很發(fā)達(dá)，多個(gè)綜合觀測(cè)臺(tái)站設(shè)有電離層數(shù)字測(cè)高儀和非相干散射雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備。在北極圈附近建立的綜合觀測(cè)臺(tái)站，對(duì)極區(qū)的極光以及電離層參數(shù)、大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了常年的觀測(cè)。

環(huán)極區(qū)鏈?zhǔn)疽鈭D

中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心是中國科學(xué)院、俄羅斯科學(xué)院為開展空間科學(xué)合作而建立的聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)。1999年10月，中國科學(xué)院與俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院在北京簽訂科技合作協(xié)議。經(jīng)中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門批準(zhǔn)，2001年中俄空間天氣聯(lián)合研究中心正式成立，旨在協(xié)調(diào)和加強(qiáng)中國與俄羅斯空間天氣研究人員在空間天氣研究和預(yù)報(bào)領(lǐng)域的科技合作。

以中國—俄羅斯空間天氣聯(lián)合研究中心搭建的合作平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過中俄科學(xué)家的不斷努力，充分利用雙方空間天氣觀測(cè)的地域優(yōu)勢(shì)（從低緯延伸到高緯）和各自的經(jīng)驗(yàn)，已共同組織基金委中俄合作與交流項(xiàng)目、中國科學(xué)院特別交流計(jì)劃、中科院俄烏白特別交流計(jì)劃和俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(huì)合作交流項(xiàng)目等一批國際合作項(xiàng)目，促進(jìn)了兩國空間天氣事業(yè)的發(fā)展，也為世界空間天氣研究的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

未來：子午圈北延與環(huán)極區(qū)鏈

未來將推動(dòng)子午圈北延：第一步以子午工程為基礎(chǔ)形成與俄方臺(tái)站已有監(jiān)測(cè)儀器的定期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)共享機(jī)制。第二步針對(duì)俄方監(jiān)測(cè)空白，部署新監(jiān)測(cè)設(shè)備，在伊爾庫斯克（Irktsk）、諾里爾斯克（Norilsk）、日甘斯克（Zhigansk）、雅庫茨克（Yakutsk）站點(diǎn)部署中高層大氣光學(xué)成像設(shè)備。目前，已與俄羅斯伊爾庫斯克日地物理研究所達(dá)成合作意向，并完成了站點(diǎn)前期考察和準(zhǔn)備工作。第三步形成聯(lián)合探測(cè)、研究機(jī)制。

雙方也將致力于環(huán)極區(qū)鏈建設(shè)：與俄羅斯科學(xué)院共同完成8個(gè)臺(tái)站地磁地電與大氣電場(chǎng)設(shè)備部署，構(gòu)成東半球環(huán)北極鏈。在120°E子午鏈上的伊爾庫茨克、雅庫茨克、提可西等站點(diǎn)建立光、電、磁近地空間環(huán)境探測(cè)設(shè)備，在提可西站建立綜合性空間環(huán)境探測(cè)臺(tái)站。從科拉半島到馬格丹的環(huán)北極鏈建立近地空間環(huán)境探測(cè)網(wǎng)，用于配合SMILE衛(wèi)星地基協(xié)同探測(cè)。目前雙方已經(jīng)達(dá)成合作意向，等待簽署正式協(xié)議。