由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心王赤院士領(lǐng)銜,聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、山東大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等多家科研院所和高校的學(xué)者,共同發(fā)表評(píng)述性文章,綜合介紹了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程一期運(yùn)行十余年來(lái)取得的亮點(diǎn)科學(xué)研究成果。該成果作為封面文章發(fā)表于《中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué)》2023年第7期。

子午工程是我國(guó)建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心作為法人單位牽頭,10余個(gè)科研院所和高校參與建設(shè)。工程建設(shè)分為兩個(gè)階段:子午工程一期和子午工程二期。子午工程一期沿120°E子午線和30°N緯線附近部署15個(gè)觀測(cè)臺(tái)站,建設(shè)87臺(tái)(套)不同類型的監(jiān)測(cè)設(shè)備,采用地磁(電)、無(wú)線電、光學(xué)、探空火箭等手段,可連續(xù)監(jiān)測(cè)地球表面20km以上的中高層大氣、電離層、磁層,以及十幾個(gè)地球半徑以外的行星際空間。子午工程一期于2008年開(kāi)工建設(shè),2012年建成投入正式運(yùn)行。運(yùn)行十余年來(lái),獲取了一大批寶貴的自主空間環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)。研究人員利用這些數(shù)據(jù),圍繞子午工程科學(xué)目標(biāo),取得了一系列創(chuàng)新性科學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展。
典型成果一:
揭示了我國(guó)上空近地空間環(huán)境的區(qū)域特征,提供了對(duì)空間天氣擾動(dòng)傳播和演化規(guī)律的新認(rèn)識(shí)。
·利用氣輝成像觀測(cè),揭示了電離層不規(guī)則體(MSTID、EPB等)的傳播規(guī)律、分布特征、相互作用過(guò)程;
·發(fā)現(xiàn)了青藏高原對(duì)重力波的產(chǎn)生和傳播的重要作用,揭示了我國(guó)上空中高層大氣重力波的傳播特性;
·利用多臺(tái)站激光雷達(dá)數(shù)據(jù),揭示了偶發(fā)鈉層和熱層增強(qiáng)鈉層的區(qū)域分布特征和季節(jié)變化規(guī)律,并推測(cè)這類結(jié)構(gòu)具有幾百公里的尺度,其分布特征與電離層Es相關(guān)。
典型成果二:
揭示了地球空間環(huán)境太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層-中高層大氣-低層大氣-巖石圈不同圈層之間物質(zhì)和能量耦合的關(guān)鍵環(huán)節(jié),提供了不同圈層之間因果鏈聯(lián)系的新證據(jù)。
·首次發(fā)現(xiàn)了由地震產(chǎn)生的特殊類型的電離層強(qiáng)烈擾動(dòng),為巖石圈-大氣層-電離層之間存在能量耦合發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的有力證據(jù);
·多種手段綜合探測(cè)發(fā)現(xiàn)等離子體調(diào)控是磁層-電離層耦合的關(guān)鍵因素;
·首次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)活動(dòng)平靜期間,極區(qū)磁層與電離層通過(guò)“太空臺(tái)風(fēng)”產(chǎn)生高效耦合的新機(jī)制;
·將赤道等離子體泡的產(chǎn)生與臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的重力波相聯(lián)系,揭示了臺(tái)風(fēng)引起的大氣波動(dòng)向上傳播影響電離層的過(guò)程。
典型成果三:
填補(bǔ)了我國(guó)區(qū)域近地空間環(huán)境重要參數(shù)探測(cè)的空白,極大地推動(dòng)了現(xiàn)有模型的發(fā)展。
·構(gòu)建了我國(guó)區(qū)域電離層閃爍指數(shù)地圖模型,能夠給出近實(shí)時(shí)電離層閃爍指數(shù)S4區(qū)域地圖;
·建立了我國(guó)區(qū)域三維電子密度同化模型;
·開(kāi)展了Kp地磁指數(shù)預(yù)報(bào)研究,提高了Kp指數(shù)估算的準(zhǔn)確性,使之適用于中國(guó)區(qū)域地磁網(wǎng)絡(luò)的分布特點(diǎn),能夠應(yīng)用于地磁暴的預(yù)警。
鑒于子午工程一期良好的運(yùn)行成效,2019年我國(guó)開(kāi)始了子午工程二期建設(shè)。工程將在一期的基礎(chǔ)上,建立31個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站,部署光學(xué)、無(wú)線電、地磁等一系列常規(guī)設(shè)備,并建設(shè)一批大型和技術(shù)先進(jìn)設(shè)備,如射電日像儀、行星際閃爍望遠(yuǎn)鏡、MST雷達(dá)、中緯高頻雷達(dá)、三站式非相干散射雷達(dá)、低緯高頻雷達(dá)、陣列型大口徑氦激光雷達(dá)和大口徑金屬層激光雷達(dá)等,形成覆蓋中國(guó)和兩極地區(qū)的“兩橫兩縱”空間地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(下圖),實(shí)現(xiàn)“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的探測(cè)架構(gòu)。

此外,中國(guó)正在積極推動(dòng)以子午工程為基礎(chǔ)的國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃(IMCP)。該計(jì)劃將開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作,整合和優(yōu)化沿120°E和60°W獨(dú)特的圍繞全球的子午圈上的上千臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備,形成全球分布式地面探測(cè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)地球空間環(huán)境進(jìn)行全緯度和全天候觀測(cè)。
子午工程一期、子午工程二期和國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃被合稱為“子午三部曲”。我們有理由相信,得益于近些年國(guó)家對(duì)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入,我國(guó)疆域內(nèi)空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)設(shè)備如雨后春筍般相繼而起,這將加快推進(jìn)我國(guó)邁入空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)強(qiáng)國(guó)行列。