子午工程：探秘人类生存发展的“第四环境”

我们的记者唐婷

在晴朗的夜空下，一道黄色和一道绿色，两道平行的光束从地面直射向天空。这不是一场灯光表演，而是研究人员的观察实验。灯柱的来源是位于北京市延庆县大柳树镇大牛河村的子午工程观测点。

「只要天气好，我们便会开启激光雷达设备，探测中高层大气的风场、密度、温度和成分。」子午工程激光雷达副主任王继红在接受《每日科学》采访时说。

子午工程，全称“东半球空间环境综合监测子午链基金会”，是中国空间科学领域第一个重大国家科技基础设施项目，也是科学家探索“第四环境”的“地网”。包括延庆站在内的多个观测站形成了“经络工程的耳目”。

“视听”基础监控网络

在陆地、海洋和大气之外，受地球磁场影响的地球空间系统被视为人类生存和发展的“第四环境”。太阳系可居住区的三颗行星中，只有地球有磁场。

20世纪50年代，人类走出地球探索太空。最早的发现之一是地球大气层外的地磁圈。在数亿年的宇宙时间尺度上，磁场在大气演化中起着主导作用，因此是生命起源的主要因素。

例如，在短时间内，从几分钟到几天，地球磁场将来自太阳爆炸活动的能量传输到地球，引发灾难性的空间天气现象，对空间系统、电力和能源系统等产生严重影响。

对太阳的扰动是如何通过浩瀚的星际空间传播到地球空间的，它又是如何影响地球的空间环境的呢？“了解灾难性空间天气的变化并探索其背后的规律是子午线工程的主要科学目标。”子午线工程的总工程师王驰说。

事实上，中国对空间环境的基础监测起步较早，但过去的基础监测大多是由一个单独的台站单独进行，没有形成一个协调统一的观测系统。2012年10月，子午线工程正式竣工投产，改变了这一局面。

据报道，沿东经120°的南北向经线，从漠河到海南，到南极中山站，从北纬30°线附近的东西向，从上海到拉萨，该经线工程利用15个监测站，构建了以链为主体、链网组合的大型基础空间环境监测系统。

子午线工程创造了世界上最多的。验收专家组的高度评价让王驰记忆犹新。专家认为，子午线工程是世界上监测空间范围最广、地理跨度最大、监测空间环境物理参数最多、综合性最强的基础空间环境监测网络。

子午线项目结合使用无线电、地磁、光学和探空火箭，能够持续监测地球表面20-30公里至数百公里范围内的中高层大气、电离层和磁层，以及地球半径以外的十几个行星际空间环境参数。

对空间天气扰动的新认识

子午工程自运行以来，积累了大量的数据。据统计，截至2018年9月底，子午工程已获得64种空间环境参数、1500多万个数据文件和近5TB的监测数据。

更重要的是，科学家们利用从子午线项目获得的大量数据，获得了关于中国上空空间环境特征和地球空间各领域之间耦合的一些新知识。

借助子午线工程，我们首次观测到中国上空空间环境对太阳风暴的大尺度响应和传播过程，并首次发现空间天气事件从低纬度向高纬度传播的新现象王驰说。

如果只有一个观测站，只能了解当地的情况，很难了解空间天气在一定地理范围内的传播过程。另一方面，子午线项目通过在一个垂直和一个水平维度上部署多个站点，可以全面了解站点链上空间天气事件的传播和演变。

事实上，“第四环境”并不是孤立存在的。地球表面的地磁圈、岩石圈和水圈以及地球的大气层和电离层一直在相互作用。各界互动机制也一直是国际学术界关注的前沿科学问题。

地壳板块剧烈运动引起的扰动可以通过大气沿着磁场向上传播到电离层，形成整体波现象。“例如，日本发生了大地震。地震波是如何传播到电离层的，电离层是如何反应的，电离层又是如何反作用于磁层的？”王驰介绍说，子午线项目在通过多学科探测了解不同领域之间耦合的关键环节和物理过程方面也取得了重要进展。

此外，子午线工程大大提高了中国在国际空间科学领域的地位和影响。基于子午工程的国际子午环计划被列为2012年8月发布的美国太阳与空间物理十年发展战略计划中的一个重要的大型国际合作项目。

护送太空活动

在基础研究领域取得进展的同时，子午工程还为中国发射天宫一号、神舟八号、神舟九号等航天活动以及交会对接任务提供了大量的数据支持服务。

像地球的天气一样，空间环境也经常受到空间天气的突然和灾难性变化的影响，有时会破坏卫星运行、通信、导航和电力系统。

以空间系统为例。在灾难性的空间天气情况下，恒星定位系统将在几天内无法工作，这将影响姿态控制。航天器表面频繁的充电和放电事件会导致控制信号的混乱。太阳能电池严重退化甚至损坏。

因此，及时准确的空间天气预报对空间活动至关重要。据报道，依托子午工程等重大设施，研究团队在空间天气物理过程和预报模型方面取得了一批原创性成果，初步构建了中国空间天气数值预报模型，为载人航天和探月工程提供了及时高效的空间天气预报服务。

天宫二号发射前，中国科学院空间环境研究与预测中心对天宫二号发射窗口进行了为期6个月的安全期预测，对太阳黑子数和质子事件进行了长期预测。在天宫二号发射至神舟十一号飞船成功返回地面的过程中，工作人员每天24小时连续监测空间环境，并每天提供3次预报产品。根据交会对接任务对高精度轨道预测的需求，提供了空间环境参数预测产品。

“我们的方向是提供高精度和高时变的空间天气数值预报。在国际空间环境服务机构的16个区域预警中心中，我们的综合预测能力处于前列。”王驰说。

自其建成和运行六年多以来，王驰一直对围绕科学目标和支持应用的子午线项目所取得的进展感到满意。今年2月，子午线工程第二阶段通过了国家发展和改革委员会的可行性研究报告，初步设计工作正在进行中。