在大氣層外的星際空間，存在著太陽風(fēng)、磁暴等空間天氣災(zāi)害，會對航天器造成重大影響。如何有效監(jiān)視太空中的“風(fēng)雨雷電”，織一張大網(wǎng)守護我國的空間裝置呢？堪稱“空間長城”的子午工程當(dāng)仁不讓。

子午工程，又稱“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈”，是我國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國“十一五”期間首個啟動并建成的大科學(xué)裝置。雖然名氣很大，但因為和日常生活比較遙遠，很多人不太了解它，甚至不知道它的存在。今天，我們就來聊一聊子午工程。

何為子午工程

在古代，人們以子為正北，以午為正南，子午就是南北的意思。在現(xiàn)代，子午用來稱呼地球南北向的經(jīng)度。從古至今，子午都跟方向有關(guān)，而子午工程，同樣是跟方向有關(guān)的工程。子午工程一期就是由一批位于東經(jīng)120°附近、有一定基礎(chǔ)的空間觀測臺站組成的監(jiān)測網(wǎng)。

空間天氣預(yù)報

說起天氣，很多人會想到風(fēng)、霜、雨、雪等常見的天氣現(xiàn)象。其實，這些只是發(fā)生在低層大氣中的天氣現(xiàn)象。在浩瀚的宇宙中還有其他天氣現(xiàn)象，它們和太陽活動有關(guān)。

在我們的印象里，太陽每天從東方升起，往西方落下，周而復(fù)始，為我們帶來光和熱。事實上，太陽遠沒有我們看到的這么平靜。太陽上會出現(xiàn)黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動，這些活動會使近地空間環(huán)境發(fā)生變化。

太空中的航天器受空間天氣的影響很大，會因為劇烈的太陽活動而面臨更多輻射威脅。不少地面設(shè)備也會因劇烈的太陽活動遭殃。比如，太陽活動會引發(fā)地球電離層擾動，影響無線電通信，甚至導(dǎo)致通信設(shè)備失效。子午工程就是監(jiān)測近地空間環(huán)境并準確預(yù)報空間天氣的利器。

子午工程的誕生

關(guān)于子午工程的起源要從30多年前說起。1993年，我國著名空間物理學(xué)家魏奉思在制訂我國空間物理發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃時，提出了建立東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測子午鏈的構(gòu)想。1年后，我國科學(xué)家共同起草了子午工程項目建議書。經(jīng)過嚴格審核，子午工程于1997年被正式確定為國家重大科學(xué)工程。之后，經(jīng)過10余年的籌劃，子午工程最終于2008年正式開工建設(shè)。

想在地面上建設(shè)一個龐大的監(jiān)測網(wǎng)并不容易，為了讓子午工程順利從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，建設(shè)團隊聚集了我國地質(zhì)與地球物理、空間天氣監(jiān)測與預(yù)警領(lǐng)域頂尖科學(xué)家的力量，總投資近2億元。

如此龐大的工程，在建造過程中自然會遇到很多困難。比如，子午工程一期建設(shè)涉及20多個門類的90多臺設(shè)備，這些設(shè)備有的直徑接近50米，有的僅有路由器大小，有的需要在已有基礎(chǔ)上改造，有的需要從零開始建造……建設(shè)團隊要讓這些大小不一、形制不同、數(shù)據(jù)種類各異的設(shè)備相互配合，可謂困難重重。除了建造方面的困難，建設(shè)團隊還要克服很多生活方面的困難。為了讓一些寶貴的設(shè)備遠離電磁干擾，建設(shè)團隊經(jīng)常要在交通不便、條件艱苦的野外安家。

當(dāng)然，這些困難并不會動搖建設(shè)團隊的決心。在“海納百川、勇于創(chuàng)新、精準卓越、甘于奉獻”的子午精神激勵下，建設(shè)團隊克服了一個又一個困難，完成了一項又一項任務(wù)。經(jīng)過4年多的不懈努力，子午工程一期最終于2012年順利通過國家驗收。

知識鏈接：中國空間物理學(xué)家——魏奉思

魏奉思的出生地是四川綿陽豐谷鎮(zhèn)。這里盛產(chǎn)井鹽，是水路交通要道。小時候，魏奉思因為見過太多纖夫和背鹽的工人，立志要成為一名機械工程師，發(fā)明機械減輕勞動人民的負擔(dān)。高中畢業(yè)填報志愿時，魏奉思選擇了中國科技大學(xué)自動化專業(yè)，然而收到錄取通知書時才發(fā)現(xiàn)，錄取自己的專業(yè)不是自動化，而是地球物理。而后，他又在機緣巧合下被分到了新成立的空間物理系。就這樣，魏奉思走上了一條和宇宙空間有關(guān)的科學(xué)研究道路。

1993年，當(dāng)魏奉思首次提出建立東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測子午鏈的構(gòu)想時，遭到了不少人的反對。反對者們認為這個構(gòu)想是天方夜譚。針對這部分人的說法，魏奉思當(dāng)時的回答是科學(xué)家應(yīng)該有夢想，如果連夢都不敢做，那就成不了大事。在實現(xiàn)夢想的道路上，魏奉思做得最多的就是堅持。在魏奉思和無數(shù)像他一樣不輕言放棄的科學(xué)家的堅持下，子午工程最終從夢想變成了現(xiàn)實。

業(yè)績突出的子午工程一期

目前，子午工程一期已經(jīng)投入使用。作為子午工程的“排頭兵”，子午工程一期在世界舞臺上為我國贏得了榮譽，用突出的業(yè)績回報了那些默默奉獻的科學(xué)家。

子午工程一期的建造

子午工程一期是一個以東經(jīng)120°和北緯30°附近的15個空間觀測臺站為基礎(chǔ)構(gòu)建的以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型地基空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。它是世界首條，也是目前世界上唯一一條空間環(huán)境綜合監(jiān)測子午鏈。利用幾十臺不同類型的監(jiān)測設(shè)備，子午工程一期可通過無線電、探空火箭等手段，對地球表面20千米以外的中高層大氣、電離層、磁層，以及十幾個地球半徑之外的行星際空間環(huán)境中的地磁場、電場等開展連續(xù)監(jiān)測。

子午工程一期成員

子午工程一期監(jiān)測設(shè)備眾多，依據(jù)工作原理和探測對象不同，大致可以將它們分為地磁（電）設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和無線電設(shè)備三大類。這些設(shè)備都在用自己擅長的方式監(jiān)測空間環(huán)境。比如，激光雷達會向大氣發(fā)射激光束，再通過接收散射光的方式計算大氣密度、溫度等；光學(xué)干涉儀和氣輝成像儀則利用大氣的發(fā)光現(xiàn)象探測大氣溫度、風(fēng)速等；非相干散射雷達利用電磁波探測大氣中的電子密度、電子溫度、離子溫度等。值得一提的是，為了更好地預(yù)報空間天氣，子午工程一期還專門搭建了由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器與存儲設(shè)備、大屏幕會商支撐設(shè)備等構(gòu)成的空間天氣民用預(yù)報服務(wù)平臺和軍用預(yù)報保障平臺。這些平臺極大地提升了我國的空間天氣預(yù)報能力，為航天、通信、導(dǎo)航等提供了幫助。

子午工程一期的成就

從2012年正式投入運行至今，子午工程一期已獲得了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過研究這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家獲得了一系列重大發(fā)現(xiàn)。比如，發(fā)現(xiàn)太陽活動平靜期，極區(qū)磁層與電離層通過太空臺風(fēng)產(chǎn)生高效耦合的新機制；發(fā)現(xiàn)由地震產(chǎn)生的特殊類型的電離層強烈擾動，為巖石圈、大氣層、電離層之間存在能量耦合提供了有力證據(jù)等。

子午工程一期的優(yōu)秀表現(xiàn)，極大地提升了我國在空間天氣領(lǐng)域的知名度和國際影響力。美國一知名空間天氣刊物曾對子午工程進行了專題報道，夸贊子午工程是一個影響深遠、令人震撼的項目。

令人期待的子午工程二期

盡管子午工程一期已經(jīng)在我國境內(nèi)搭建了一座長約3000千米的“空間長城”，但與我國廣袤的領(lǐng)土相比，還是顯得微不足道。為了對空間環(huán)境進行更精細的監(jiān)測與研究，我國開始了子午工程二期的建設(shè)。

子午工程二期的布局

因為子午工程一期表現(xiàn)優(yōu)秀，子午工程二期建設(shè)計劃一提出就得到了國家戰(zhàn)略規(guī)劃部門的肯定，并在2016年7月成功入選《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》。

子午工程二期于2019年正式開工建設(shè)，在2023年底全面建成。子午工程二期的監(jiān)測站點主要集中在東經(jīng)100°和北緯40°附近，它和子午工程一期組成了一個“井”字形觀測網(wǎng)，實現(xiàn)了對我國國土區(qū)域的基本覆蓋，提升了捕捉小尺度空間天氣現(xiàn)象的能力，能更加清晰地觀測大尺度空間天氣現(xiàn)象。

更優(yōu)秀的觀測能力

與子午工程一期只能監(jiān)測近地空間不同，子午工程二期增加了對太陽進行直接觀測的射電望遠鏡、光學(xué)望遠鏡等設(shè)備，具備從太陽到行星際空間、地球磁層、地球電離層，最后到中高層大氣的全鏈條觀測能力。除了視野更廣，子午工程二期還增加了多臺先進的大型監(jiān)測設(shè)備，在探測能力上也實現(xiàn)了飛躍。比如，位于我國北方中緯地區(qū)的相控陣高頻相干散射雷達，可從我國境內(nèi)一直掃描到北極圈內(nèi)；位于海南省的陣列式大口徑激光雷達，可對1000千米高的大氣進行探測；同樣位于海南省的三站式相控陣非相干散射雷達，具有探測低緯度電離層、流星以及空間碎片的能力。

如今，子午工程二期38個種類的近300臺儀器正在觀測日冕、太陽風(fēng)、磁層、輻射帶、電離層、中高層大氣，研究空間天氣的全球特征和演變規(guī)律，為應(yīng)對地球災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

監(jiān)測太陽活動的“千眼天珠”

在子午工程二期眾多優(yōu)秀設(shè)備中，有一臺優(yōu)秀的射電望遠鏡，它就是被稱為“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡。

何為射電望遠鏡

射電望遠鏡跟我們常見的望遠鏡不一樣。如果把我們常見的望遠鏡比作千里眼，射電望遠鏡則更像順風(fēng)耳。射電望遠鏡的主要工作方式不是看而是聽，它們會接收宇宙中微弱的射電信號，并將信號聚焦、放大后傳輸給其他儀器分析，以幫助科學(xué)家探索宇宙的奧秘。因為接收信號需要安靜的環(huán)境，所以射電望遠鏡基本上都建在人跡罕至的地方。

規(guī)模龐大的“千眼天珠”

圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡由313臺直徑為6米的天線構(gòu)成。這些天線均勻分布在直徑1000米的圓環(huán)上，圓環(huán)的中心是一座可以為整個觀測鏈路提供定標(biāo)基準的定標(biāo)塔。因為遠遠望去仿佛一顆墜落山間的寶珠，所以，圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡又被當(dāng)?shù)鼐用裥蜗蟮胤Q為“千眼天珠”。它于2019年開始建設(shè)。由于建設(shè)規(guī)模大、研制難度高，為了降低技術(shù)風(fēng)險，整個項目采用了“三步走”建設(shè)方案：第一步，試水，先建設(shè)2座天線；第二步，擴大規(guī)模，建成16座天線，開展驗證研制；第三步，在前兩步都順利完成后，啟動大系統(tǒng)建設(shè)。

“千眼天珠”的工作

“千眼天珠”的主要工作是監(jiān)測太陽活動，對空間天氣進行預(yù)報和預(yù)警。除了監(jiān)測太陽活動，“千眼天珠”還能提供天象觀測服務(wù)。憑借大視場、高質(zhì)量成像能力，它可助力科學(xué)家完成對脈沖星、射電暴等天象的觀測任務(wù)。值得一提的是，本著“邊建設(shè)、邊調(diào)試、邊運行”的原則，“千眼天珠”還未竣工就投入使用了，目前已提供了大量太陽活動的圖像和數(shù)據(jù)。按照計劃，“千眼天珠”日后還會與羲和號、夸父一號等太陽探測衛(wèi)星合作，為我們奉上更精準的空間天氣預(yù)報。除了本職工作，“千眼天珠”還吸引了大批游客前來參觀，讓當(dāng)?shù)爻闪颂煳目萍悸糜涡碌貥?biāo)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展貢獻了力量。

默默付出的建設(shè)團隊

為了建設(shè)“千眼天珠”這個國之重器，建設(shè)團隊克服了很多困難。比如，為了確保定標(biāo)塔發(fā)出的電磁波到達圓環(huán)陣上每臺天線時的相位基本一致，所有觀測天線的位置誤差要控制在2毫米以內(nèi)。這個要求看似簡單，其實很難，因為野外的大風(fēng)會讓天線和定標(biāo)塔晃動。建設(shè)團隊用了半年時間，才研制出具有重量輕、剛度高、風(fēng)載荷小等多種優(yōu)點的天線，解決了這個難題。除了建造困難，建設(shè)團隊還要適應(yīng)惡劣環(huán)境?！扒а厶熘椤钡募椅挥诤０?800米的高原上，這里氧氣含量低、紫外線強烈。建設(shè)團隊在如此艱苦的環(huán)境中，依然保證了項目順利竣工，真的很不容易，讓我們?yōu)樗麄兊呐蛨猿贮c個贊吧！

子午工程走向世界

雖然子午工程已經(jīng)取得了成功，但功成名就的子午人并未就此身退。隨著子午工程的國際影響力不斷提升，子午人將目光投向了更遠的地方。

目前，美國、加拿大、日本都針對性啟動了地球空間系統(tǒng)監(jiān)測研究的大科學(xué)工程或科學(xué)計劃，但從全球視角來看，它們?nèi)跃哂幸欢ǖ膮^(qū)域性。為此，我國科學(xué)家提出了以子午工程為基礎(chǔ)和核心建設(shè)國際空間天氣子午圈的計劃，計劃將我國的子午鏈向北延伸至俄羅斯，向南延伸到東南亞，形成一個可繞地球一周的地基空間環(huán)境監(jiān)測子午圈，實現(xiàn)24小時、全緯度同時觀測。這一構(gòu)想得到了俄羅斯、美國、巴西等國科學(xué)家的積極響應(yīng)。目前，國際空間天氣子午圈計劃一期已經(jīng)開始建設(shè)。希望在不久的將來，它能夠順利竣工，為我們開啟探索、利用空間天氣的新時代。