大国重器构建“空间长城”彰显中国“硬核”实力
近日，由16个观测台站、58个观测点组成的子午工程二期初步建成，和此前建成的子午工程一期一起，形成了覆盖全国的两纵两横“井”字形、目前世界上规模最大的空间环境地基综合监测网，可以说是名副其实的“天网”，而它的任务就是揭示空间天气变化的过程和规律，提升空间天气的预报水平。而这其中，对电离层的探测是重要内容之一。
和地球上的“风雨雷电”相比，什么是“空间天气”呢？专家介绍，距离地面30公里的平流层以上的中高层大气，空间环境受到太阳活动的影响，会发生剧烈变化。这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，就是“空间天气”。尤其是地球上空高度约60～1000公里的高层大气叫作电离层，我们日常的通信、广播、导航、定位都离不开这个区域。电离层“天生不安分”，存在着大量自由带电粒子，有时还会突然出现扰动，使地面的无线电通信受到严重影响。
捕捉监测几百到上千公里外的太空中微小电子的“一举一动”，就好比是要用肉眼去观察几百公里外的一根蜡烛，难度可想而知。今年建成的子午工程标志性设备之一——海南三亚非相干散射雷达就掌握了这一关键核心技术，这也是目前世界最先进的地基电离层探测设备。不久前，这个空间探测的科学重器正式投入运行，开始对电离层进行大范围、多参数探测和研究。
在海南三亚大茅村，由8000多部天线单元共同组成的非相干散射雷达阵列，面积有1600平方米，相当于四个篮球场大小，这是子午工程二期的标志性设备之一，能够捕捉几百到上千公里外的太空中微小电子的“一举一动”。
中国科学院地质与地球物理研究所研究员乐新安介绍：“就像在300公里处有一根蜡烛，要用肉眼去观察它。雷达的一个单元就相当一个眼睛的像素点，当像素点越多的时候，分辨率就会越高，精度也会越高。电离层中电子密度不到中性成分的1%，但它们对日地空间的扰动过程非常敏感，比如太阳“打个喷嚏”、地表发生地震等都会有对应的响应，堪称空间天气的“显示屏”。了解和掌握电离层中电子的状态和变化机制，对于卫星导航通信安全乃至未来地震的预报预警都具有重要意义。”非相干散射是电磁波照射到电子时产生的一种散射现象，这种信号十分微弱。那么8000多个天线单元组成的庞大阵列如何捕捉微弱的散射信号呢？它的核心装备就在天线下方。
“8320个单元在统一的指令下，朝着同一方向向空中辐射电磁波，能量就会集中，威力更大。”中国科学院地质与地球物理研究所工程师张宁介绍，通过8320个组件可以将强大的能量辐射到电离层，电离层会散射微弱的回波信号，通过低噪声放大和波形的编解码，可以对微弱的散射信号进行分析，得到电离层的参数，将电离层中电子和离子的状态像显微镜一样放大给科学家。
“高度越高，电离层中电子的密度就越稀薄和难以探测。目前国际电离层探测高度在几百公里，而三亚非相干散射雷达作为世界上目前口径最大、功率最高的相控阵非相干散射雷达，将电离层探测高度提升到了上千公里。不仅如此，它探测精度和灵敏度达到国际领先水平，能够捕捉像等离子体这种更加细微的粒子的变化。投入运行以来，三亚非相干散射雷达首次观测到高时空分辨率的电离层等离子体空洞剖面结构，为开展相关物理研究奠定了坚实的基础。”张宁介绍道。
此外，作为高功率雷达，非相干散射雷达还是其他射电天文设备的理想信号源。目前已携手中国“天眼”FAST以及四川稻城圆环阵太阳成像射电望远镜开展联合观测，并初步取得一批成果。据了解，下一步，三亚非相干散射雷达还将拓展月球及小天体的监测能力。
强大的探测装置是空间物理取得科学突破的前提。三亚非相干散射雷达只是子午工程二期的其中一个设备，子午工程二期共有16个台站、58个观测点，目前已经初步建成，进入到联调试运行阶段。
在位于北京怀柔的中国科学院国家空间科学中心，还有阵列式大口径激光雷达、行星际闪烁监测望远镜等，它们都是子午工程二期的标志性设备。目前，子午工程二期已建设完成空间天气监测设备195台（套）。
捕捉监测几百到上千公里外的太空中微小电子的“一举一动”，就好比是要用肉眼去观察几百公里外的一根蜡烛，难度可想而知。今年建成的子午工程标志性设备之一——海南三亚非相干散射雷达就掌握了这一关键核心技术，这也是目前世界最先进的地基电离层探测设备。
中国科学院院士子午工程二期总指挥王赤表示：“子午工程二期，现在我们正处在一个综合调试、联测联试、试运行的阶段，争取明年完成国家验收，正式进入到运行阶段。”
子午工程是中国空间科学领域首个国家重大科技基础设施，一期工程2008年开工建设，2012年正式运行。工程二期2019年开工建设，新增16个台站、58个观测点、195台（套）监测设备，与一期工程协同，沿东经100°、北纬40°;形成覆盖全国的两纵两横“井”字形地基空间环境综合监测网，覆盖范围更广、探测高度更高、监测能力更强。王赤介绍，到了（子午工程）二期之后，我们有一些“硬核”的产品在国际上都处于领先地位。比如说，稻城的圆环阵是国际上孔径最大的一个太阳射电望远镜。再比如说氦激光雷达，形成了6米口径的对中高层大气全天候的探测能力，它的探测性能达到了1000公里，这在国际上所有设备当中，属于最高水平。
据了解，未来，子午工程一期和二期将组成世界上规模最大的空间环境地基综合监测网，为空间天气预报精度的提高提供数据支撑。
子午工程二期采用“一链、三网、四聚焦”的设计架构，首次实现了对我国上空日地空间环境的全圈层、多要素、立体式探测。
“一链”，即太阳—行星际监测链，形成了对太阳—行星际—地球的全天候监测能力；“三网”包括地磁监测网、中高层大气监测网和电离层监测网，开展“全景”监测；“四聚焦”指的是针对地球两极、北方中纬、海南低纬和青藏高原这四个空间天气扰动、圈层耦合较为特殊和强烈的地区，开展“显微”探测。王赤介绍，子午工程二期增加了对空间天气的活动源头——太阳的监测，形成了从太阳到地球端对端的空间环境的监测，在国际上是第一次，（也是）唯一的一个空间环境的监测系统，做到了整个日地空间端对端的观测。
据了解，未来子午工程一期和二期将运行多达44种、近300台仪器，能够同时覆盖色球、日冕、太阳风、磁层、电离层、中高层大气，一直到低层大气。
“瞄准世界科技前沿，我们能够回答太阳活动如何影响地球的空间环境；在满足国家重大需求方面，能为空间天气预报精度的提高提供数据支撑，能保障航天、通信、导航等一系列的国家空间基础设施、高技术设施运行安全。”
◎ 来源|央视网