子午工程譜寫我國地基空間環境監測三部曲

點擊“國家空間科學中心”關注我們吧

王赤1，2 徐寄遙1，3 李暉1，3 陳志青1 丁凱1 王江燕1 任麗文1 劉正寬1

1. 中國科學院國家空間科學中心；2. 中國科學院大學地球與行星科學學院；3. 中國科學院大學天文與空間科學學院

1

人類生存和發展的“第四環境”

隨著科學技術的高速發展，人類活動逐漸超越了陸地、海洋和低層大氣的限制，向著更廣袤的日地空間延伸。日地空間是當前人類航天活動、空間開發利用及空間軍事活動的主要區域，是與人類生存和發展息息相關的“第四環境”。一般來說，日地空間環境是指地表20~30 km(平流層頂)以上直至太陽表面的廣闊區域，涵蓋了物理性質不同的中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽日冕等五大圈層，是由太陽不斷向外輸出的巨大能量和物質與地球大氣相互作用而形成的。

類似于地球天氣是地球大氣環境中短時間尺度的變化，太陽上出現一系列爆發現象，如耀斑和日冕物質拋射等，會引起日地空間環境的等離子體、磁場、輻射、電離層及中高層大氣等空間環境狀態變化，我們形象地稱之為“空間天氣”。在開發和利用空間的過程中，人類要面對災害性空間天氣事件的威脅和影響。突發的、災害性的空間天氣變化，有時會使衛星運行、通信、導航和地面的一些基礎設施遭到破壞，影響天基和地基國民經濟基礎設施的正常運行和可靠性，甚至危及人類的健康和生命，進而導致多方面的社會經濟損失。了解日地空間環境特征，揭示日地空間天氣鏈鎖變化過程及其變化規律，提升空間天氣預報水平是搶占空間天氣科技制高點、滿足國家戰略需求和人民利益的迫切要求。

近年來，空間環境基礎研究方面的重大突破加深了人們對日地空間環境特征和變化規律的認識和理解。然而，一些重要的科學問題,如日地空間環境中的各種宏觀與微觀交織的非線性相互作用、近地空間不同圈層間的耦合過程，以及嚴重的空間天氣事件對地球空間環境和人類活動的影響機理，我們還沒有完全了解，仍舊是當今自然科學最富挑戰的國際前沿之一。由于缺乏空間環境監測的體系化建設，我國自主的空間環境預報保障能力依舊薄弱，最重要的體現之一是關鍵數據源嚴重依賴于國外的探測數據，應對空間災害性天氣的自主能力有限。這首先對我國空間環境的監測能力和水平提出了更高的迫切需求。

2

空間環境地基探測

為了更好地進出空間、利用空間，首先要認識空間，掌握空間環境的變化規律至關重要，而開展空間環境探測則是其前提和基礎。空間環境監測主要分為天基監測和地基監測兩種方式。天基探測多采用衛星等飛行器在空間進行探測，既能實現遙感探測，也能通過就位探測實現身臨其境。但受到軌道、重量、功耗、壽命的種種限制，天基探測遠不能滿足時空變化極為復雜的空間環境研究的需要。相比之下，地基監測因其具有“5C”(continuous連續、convenient 方便、controllable 可控、convincing可信、cheap 便宜)的優越性，一直備受各空間大國青睞，是天地一體化空間環境監測體系中的重要組成部分，可以獲得對一個區域連續、多參量、實時、穩定的長期監測數據。

對于日地空間環境監測而言，地基監測是最古老的、也是持續時間最長的探測手段。人類很早就從極光、地磁場等易于觀察的現象開始了地基監測和研究。到了近代，科學家們逐漸開始利用各種地面監測設施對中高層大氣、電離層、磁層、行星際進行監測。

圖1日地空間環境示意圖

日地空間環境的范圍極其廣泛，需要測量的參量多種多樣(包括密度、溫度、速度、磁場、電場、宇宙線通量、不規則體等等)，各類參量變化幅度的跨度也非常大(比如，從中高層大氣到行星際空間，密度變化超過20 個量級)。因此地基探測設備的種類非常多。根據工作原理和探測對象，大致可將它們歸類為地磁(電)設備、光學設備和無線電設備。

地磁(電)設備又可分為地磁場設備、地電場設備和大氣電場設備。它們的工作原理、探測參量不盡相同，但都有一個共同的特點，就是探測的空間范圍局限在一個點，即就位探測，而非遙感探測。例如，質子磁力儀利用質子在磁場中的拉莫爾進動效應測量儀器所在位置的磁場總強度，大氣電場儀利用金屬板在電場中產生感應電荷的原理測量垂直地面的電場。雖然這類測量是局地的，但數據的特征和變化都可與大范圍的空間環境變化建立聯系。磁場的短時變化來源于空間電流體系的變化，大氣電場與電離層電勢和大氣電導率分布相關等。

圖2質子磁力儀測量原理

光學探測設備在空間環境探測中也起著重要作用。它們可以分為主動光學設備和被動光學設備。主動光學設備如激光雷達，通過主動向空間發射激光束，利用望遠鏡接收不同高度的反射和散射光，從而計算大氣的密度、溫度、風場等參數。被動光學設備則接收來自探測對象本身的輻射來實現探測目的。在太陽光學觀測方面，人們發展了多種太陽光學設備，針對特定的譜線，通過濾波、偏振、多普勒頻移、塞曼效應等原理和方法，可以獲取太陽的單色像、磁場、速度場等信息。另一個適用被動光學探測的領域是中高層大氣。通過對氣輝、極光等大氣輻射進行成像、多普勒測量，可以獲取大氣波動、風場等信息。例如，利用法布里-博羅干涉儀測量氣輝的多普勒效應，通過獲得的干涉圓環反演大氣運動的速度和溫度，如圖3 所示。這些光學探測設備在空間環境探測中發揮著重要作用，為研究和掌握空間環境變化的規律提供了重要數據和信息。

圖3光學干涉測量原理

由于等離子體對電磁波傳播產生深遠影響，無線電設備的主要探測對象是富含等離子體的電離層。光學設備主要探測空間的中性成分，而無線電設備主要探測空間中的帶電粒子(等離子體)。與光學設備類似，無線電設備也可分為主動和被動兩類。主動無線電設備具有發射和接收裝置，通常體積和功率較大；而被動無線電設備只具備接收裝置。電離層作為一種電磁波傳播介質，其對電波的折射和吸收取決于電子密度、電波的波長以及電波的入射角。當電子密度足夠高時，會導致電磁波無法繼續傳播，發生全反射現象。電離層測高儀利用不同頻率的電磁波在不同高度(對應不同的電子密度)被反射的原理，可以測量電離層電子密度隨高度的分布。

圖4電離層測高儀的測量原理

在電離層不規則結構的邊緣，電磁波會發生散射增強現象。如果不規則結構的尺寸大致為電磁波波長的一半，那么前后邊緣散射的電磁波會相互疊加，形成相干散射現象。相干散射雷達可以利用這一現象來測量不規則結構的分布以及它們的運動速度等參數。與相干散射不同，由大量電子獨立散射引起的回波是不相干的，被稱為非相干散射。非相干散射的回波信號非常微弱，但可以被用來獲取電離層的電子密度、電子溫度、離子溫度、離子速度等非常豐富的信息，并且可以達到很高的時空分辨率。因此，國內外相關研究機構投入大量經費建設超大功率、超大口徑的非相干散射雷達，以開展電離層探測。這些雷達可以提供關于電離層結構和動態的詳細信息，對于理解電離層的特性以及對通信和導航系統的影響具有重要意義。

圖5相干散射與非相干散射

對于可以穿透電離層的電磁波，如GNSS(全球導航衛星系統)衛星導航信號，其傳播時間受到介質折射率的影響，即電波傳播會被介質延遲。這種延遲與電磁波頻率相關。通過被動接收來自GNSS衛星的兩個頻率信號，可以解算出傳播路徑上的總電子含量(TEC)，實現對電離層的穿透式探測。類似地，穿透式探測也可用于行星際空間和太陽風。所有的天體都是電磁輻射體。遠距離天體發射的電磁波在穿過太陽風到達地面的過程中受到太陽風的擾動，引起接收信號的閃爍，即行星際閃爍。利用行星際閃爍測量結合一定的模型假設，可以推測太陽風的速度、密度等參數。

來自天體的在無線電(極低頻波到毫米波)頻率范圍內的電磁波，習慣于被稱為射電波。因此，相關的探測方式也稱為射電探測。通過射電探測，可以對太陽進行特定波段的成像，或對特定波段的輻射流量進行測量。只有特定頻率范圍的電磁波才能穿透地球大氣層和電離層，地基射電探測就是利用了這些穿透窗口。通過這些探測方法，可以獲取關于太陽、太陽風以及遠距離天體的重要信息，有助于深入理解宇宙空間的特性和動態。

3

子午工程一期

我國的空間環境地基監測經歷了從零星觀測到綜合集同的發展途徑。子午工程是我國空間科學領域的首個國家重大科技基礎設施，旨在建設一個綜合性的地基空間環境監測系統。我國空間物理科學家早在1993 年就提出了子午工程的科學構想，經過幾代人的努力，子午工程最終從構想變為現實。1997 年國家科技教育領導小組確定子午工程為國家重大科學工程。2005 年國家發改委批復了東半球空間環境地基綜合監測子午鏈項目建議書，子午工程正式立項。2006 年國家發改委正式批復子午工程可行性研究報告，并明確采取分步走的發展戰略。2008 年，子午工程一期開工建設；2012年，子午工程一期通過國家驗收，正式投入運行。

地球的磁力線大致沿經線(子午線)分布，空間天氣事件一般都沿磁力線傳播和演化，而隨著地球的自轉，利用子午線上的臺站的聯合探測可以實現對空間環境進行掃描觀測，類似于給地球空間環境做CT。子午工程一期利用東經120°子午線附近(北起漠河，經北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站)，北緯30°附近(東起上海，經武漢、成都，西至拉薩)的15 個觀測臺站，共建設了87 臺不同類型的監測設備，采用地磁(電)、無線電、光學等手段，可連續監測地球表面20 km 到幾百千米高度的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間。

子午工程一期運行至今已經歷了一個太陽周(11 年)，為提升我國空間環境研究和應用水平作出了重要貢獻。在研究方面，子午工程取得了一系列突破，主要集中在對我國空間環境區域特征的研究、空間天氣擾動的傳播規律以及不同空間圈層之間的物質和能量耦合等方面。例如，子午工程的電離層監測設備探測到了地震期間的電離層波動，研究結果展示了巖石圈-大氣-電離層之間的耦合關系，以及大氣和電離層波動的傳播過程。在應用方面，子午工程一期為我國重要的空間環境預報保障單位(國家氣象局空間天氣監測預警中心、中國科學院空間環境預報研究中心等)提供了自主數據，大幅提升了我國空間環境保障的自主性。例如，利用子午工程一期數據開發了我國區域電離層閃爍指數模型、區域三維電子密度同化模型、地磁的Kp 和Dst 等指數現報模型，應用于載人航天、深空探測等多項國家重大任務的保障中，為我國重要的空間基礎設施的穩定運行保駕護航。

圖6基于子午工程數據和模式開展空間站在軌運行保障

4

子午工程二期

子午工程一期從無到有建立了我國自主的空間環境監測鏈，然而也存在局限性：(1) 監測范圍主要集中于我國東部的經濟發達地區，對西部地區的監測能力不足，特別是西北部還是空白；(2) 觀測站點之間的間距普遍大于500 km，難以勝任中小尺度物理過程的監測和研究；(3) 覆蓋的圈層局限于地球空間，缺少對空間天氣源頭太陽以及行星際空間的監測能力；(4) 大多采用常規監測設備，單機探測能力有限。在開展原創性的科學研究和滿足國家重大需求方面還有差距。因此，空間環境地基綜合監測網(子午工程二期)應運而生。2018 年子午工程二期作為國家重大科技基礎設施獲得國家發改委批復，并于2019 年開工建設。目前，工程已經完成工藝驗收，預期于2024 年完成國家驗收。之后子午工程一期和二期將形成完整的子午工程空間環境監測體系開始運行。

子午工程的科學目標是通過從太陽大氣到近地空間全鏈條、全國覆蓋、高時空分辨的多圈層多參量監測，探索空間天氣事件的傳播、演化和對我國空間環境影響的路徑和規律；揭示我國不同區域上空的空間環境的變化特征和差異，以及青藏高原和南海等特殊區域空間環境變化的精細過程；研究我國特殊地質和地理條件下，固體地球、低層大氣和近地空間環境的耦合過程。

為滿足全國范圍覆蓋、全圈層覆蓋、立體式探測的需求，子午工程二期在一期基礎上新增了16 個臺站，并提高一期臺站的綜合探測能力，形成沿東經100°、120°、北緯40°、30°兩縱兩橫式布局的31 個臺站、282臺監測設備的空間環境監測系統。

圖7子午工程(含一期、二期)觀測臺站布局

子午工程由空間環境監測系統、數據通信系統和科學應用系統三大系統組成。

空間環境監測系統中，在子午工程一期的基礎上，子午工程二期新增了一系列先進的太陽-行星際監測設備，形成對日地空間全鏈條的監測能力( “一鏈”)；采用地磁、無線電、光學等手段，對我國區域的電離層、中高層大氣、地磁形成網絡化的監測能力( “三網”)；在極區高緯、北方中緯、海南(南方)低緯、青藏高原4 個重點區域建設國際先進的大型監測設備，開展對空間環境的精細“顯微”探測( “四聚焦”)。這種“一鏈、三網、四聚焦”的架構將使得子午工程首次實現對日地空間環境全圈層、多要素綜合的立體式探測。子午工程的總體監測架構如圖8所示。

圖8子午工程監測架構(一鏈、三網、四聚焦)

● “一鏈”——太陽-行星際監測鏈

太陽作為日地空間環境擾動的源頭，對太陽以及行星際空間的觀測對理解太陽爆發的物質和能量傳輸規律至關重要。

基于太陽輻射頻率隨日心距下降的原理，太陽-行星際監測鏈采用光學、射電、IPS 等多種手段遞次接力、互相銜接的方式，形成了對太陽爆發活動從太陽表面到近地空間全過程進行追蹤的能力。這種全鏈條的監測能力有助于我們更全面地理解太陽活動對地球空間環境的影響，從而提高對空間天氣的預測和預警能力。

● “三網”——地磁監測網、電離層監測網以及中高層大氣監測網

我國地域廣闊，地磁、電離層、中高層大氣等地球空間環境在我國境內表現出豐富的變化特性和地域特色。為了更好地了解我國空間環境的背景分布特征、空間天氣事件的擾動傳播特性，以及由于地形和地理條件造成的空間環境的區域特殊性，子午工程采用“兩縱兩橫”式布局監測設備，構成了覆蓋地磁、電離層和中高層大氣的監測臺網。

● “四聚焦”——對關鍵區域、特色區域開展重點監測

極區高緯地區：地球的極區由于磁場的特殊構型，形成了太陽風直接進入磁層的天然窗口，是空間天氣、空間物理研究的理想場所。子午工程二期充分利用我國在南北極區的科學站點資源，針對電離層、中高層大氣、極光、地磁與波動配置監測設備。極區的擾動可以沿子午線向低緯地區傳播，對中低緯地區空間環境造成重要的影響。

北方中緯地區：我國地處中低緯地區，來源于北極地區的空間天氣擾動往往是經過俄羅斯和蒙古國廣袤地區，再傳播到我國境內。對空間天氣擾動從極區到中低緯地區傳播的整個路徑進行監測不僅可以完整地描繪擾動傳播的規律，研究空間環境南北耦合機制，對空間天氣的預報預警也十分重要。子午工程二期在該區域布局三個臺站組成的高頻雷達陣列，開展對電離層大范圍的掃描探測，形成對我國空間環境上游區域大縱深的遙感探測能力，同時構成極區監測與國內監測之間的“橋梁”，形成高、中、低緯有機銜接的完整監測體系。

青藏高原地區：青藏高原作為地球的“第三極”，具有獨特的地理環境和復雜的大氣擾動，是巖石圈-大氣層-電離層垂直耦合研究的熱點區域。子午工程二期聚焦“巖石圈/低層大氣層-中高層大氣垂直耦合”過程，對“第三極”中高層大氣開展綜合觀測，實現自地表到低熱層高度范圍大氣溫度、風場、密度、金屬層，以及低層大氣多要素的高時空分辨的“全高度覆蓋”的“顯微”觀測。

海南(南方)低緯地區：我國南部海南島地處電離層赤道異常區，電離層活動異常頻繁，是觀測研究地球低緯電離層環境的理想區域。同時，電離層擾動嚴重影響我國南海地區的短波通信。我國對南海地區的空間天氣保障需求極為迫切。子午工程二期在該區域建立國際上先進的大型無線電和光學觀測設備，綜合探測我國海南島周邊及南海上空80 km到上千千米的中高層大氣、電離層和內磁層的空間環境精細結構。

子午工程的最大特點是其完整的日地空間綜合體系，使其具備對日地空間進行端對端的整體探測研究能力。子午工程二期新增了一系列探測能力國際領先的大型監測設備，將在空間物理和空間天氣基本物理問題的深入研究方面發揮重要作用，其中包括全球最大的綜合孔徑太陽射電望遠鏡——圓環陣太陽射電成像望遠鏡(建設于四川稻城)，以及全球首個低緯地區三站式非相干散射雷達和首次實現1000 km 高度大氣探測的激光雷達(建設于海南)。這些子午工程二期標志性設備將引領國際空間環境地基監測。

另外，為了實現監測網絡的科學高效運行和多學科綜合監測數據的集成融合，促進重大科研應用成果的產出，子午工程二期還建設了數據通信系統，以完成數據實時匯集、加工和分發服務；同時還建設了科學應用系統，以完成科學運行管理、研究與建模支撐、預報方法研究以及空間環境監測數據交叉應用示范等任務。這兩個系統的主體設施均部署于北京懷柔的子午工程綜合信息與運控中心。

5

國際子午圈大科學計劃

以子午工程為基礎，我國科學家立足國內，胸懷全球，提出和推動國際子午圈大科學計劃(IMCP)。該計劃將聯合跨越東經120°、西經60°子午圈沿線的十余個國家或地區的千余臺儀器形成全球分布式地基探測網絡，與天基探測衛星相結合，研究空間天氣的全球特征和傳播規律，以及與全球變化的相互影響，為應對地球災害和國家空間安全決策提供科學依據，為建設宜居地球和實現人類可持續發展貢獻中國力量。

空間天氣是全球性問題，需要全球化的解決方案，需要全球合力參與。子午工程一期對能量如何從高緯(地球磁層外部)擴散到低緯(磁層內部)的研究，跨出了全球性空間天氣研究的第一步。子午工程二期可以實現空間天氣觀測從太陽到地球的全過程，完成了全球性空間天氣研究的第二步。這一系列工作為國際子午圈計劃提供了寶貴的研究成果和技術支持，為全球空間天氣研究和國際合作作出了重要貢獻。

國際子午圈大科學計劃是全球性空間天氣監測研究的第三步。其全球地基分布網絡可以把地球空間變為物理信息的三維網格，借助地球自轉，每12 個小時生成一張地球空間環境的“核磁共振圖像”。科學衛星穿行其間，在關鍵格點對關鍵過程進行詳細診斷。同時，數千臺不同種類的儀器設備相互定標，將全網絡的測量絕對基準維持在一個穩定精準的基線上，不斷完善地球環境監測能力指標。例如，地球磁場現在以每百年10%的速率衰減，導致太陽能量粒子和宇宙射線對地球大氣的作用大幅增強。這一變化是否影響氣候及其他環境因素，需要國際子午圈計劃這樣長期、穩定和綜合的全球性觀測來判別。

圖9國際子午圈計劃示意圖

國際子午圈計劃自從提出以來得到了國際熱烈響應，數百位國際科學家參與規劃。來自中國、巴西、俄羅斯、泰國、法國、美國等國的30 多個研究機構，以及國際組織積極支持和參與。作為先行先試，從2014 年開始，中國科學院與巴西國家空間研究院(INPE)共建中巴空間天氣聯合實驗室。經過兩期建設，在10 個臺站部署了包括激光雷達、GNSS電離層TEC 與閃爍監測儀、大氣電場儀、全天空氣輝成像儀、磁通門磁力儀等在內的16 臺監測設備，并且完成了南美數據中心的建設。此外，東南亞、北極高緯監測網也在穩步推進中。這一系列工作將為全球空間天氣研究和國際合作提供重要支持，提供了開展大規模國際合作的經驗。

圖10 中巴實驗室臺站分布圖

(圖中紅色臺站為運行臺站，綠色臺站為計劃臺站)

國際子午圈計劃得到了北京市以及科技部、中國科學院、國家自然科學基金委等國家部委的培育項目支持。2023 年9 月國際子午圈總部大樓在北京懷柔科學城正式啟用。與此同時，國際子午圈第一屆科學委員會會議、2023 國際研討會和空間天氣培訓班成功舉辦，這些活動為國際子午圈計劃的發展和合作奠定了堅實的基礎。

圖11國際子午圈總部大樓掠影

圖12 2023國際子午圈研討會暨“一帶一路”空間天氣培訓班9月14日在北京開幕，全球10余個國家的100多位空間物理科學家齊聚懷柔科學城

6

結語

地基監測是天地一體化空間環境監測體系中的重要組成部分和基礎。相比國際上其他監測要素和手段較為單一的地基監測網絡(如地磁監測網絡MAGDAS、超級雙重極光雷達網絡SuperDARN、國際地球動力學服務機構IGS等)，子午工程監測手段最綜合、監測要素最齊全、覆蓋日地空間圈層最完整、集同運行能力最強，實現了空間天氣鏈鎖變化過程端對端的整體監測，將對太陽活動-日地傳輸-對地影響的全過程研究產生重大影響。

子午工程一期的成功建設和運行，標志著我國空間環境地基監測的綜合性能力取得重大發展，全球空間環境監測研究的重心開始向我國轉移。子午工程二期的建成將完成這個重心的轉移，我國將實現空間環境從認知能力向認知與保障能力的提升，逐步成為全球空間環境地基監測研究最重要的數據來源、最活躍的人才高地、最豐碩的成果策源地。正在推進的國際子午圈計劃，將使我國借勢形成全球輻射能力，使得我國空間環境地基監測研究能力實現從“跟跑”“并跑”到“領跑”的超越。

致謝：本項研究受到國家重大科技基礎設施子午工程項目支持。

本文選自《現代物理知識》2024年4期YWA編輯

來源：《現代物理知識雜志》

歡迎關注我們，轉載授權、投稿事宜請
在文后留言，小編會盡快處理