今天一起了解中國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程。近日，由16個觀測臺站、58個觀測點(diǎn)組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，形成了覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形、目前世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)，可以說是名副其實(shí)的“天網(wǎng)”，它的任務(wù)就是揭示空間天氣變化的過程和規(guī)律，提升空間天氣的預(yù)報水平。其中對電離層的探測是重要內(nèi)容之一。

　　新聞鏈接：什么是“空間天氣”？

　　那么和地球上的“風(fēng)雨雷電”相比，什么是“空間天氣”呢？這里簡單介紹一下，距離地面30公里的平流層以上的中高層大氣，這里的空間環(huán)境受到太陽活動的影響，會發(fā)生劇烈的變化。這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，就是“空間天氣”。

　　尤其是地球上空高度約60~1000公里的高層大氣叫做電離層，我們?nèi)粘５耐ㄐ?、廣播、導(dǎo)航、定位都離不開這個區(qū)域。電離層“天生不安分”，存在著大量自由帶電粒子，有時還會突然出現(xiàn)擾動，使地面的無線電通信受到嚴(yán)重影響。捕捉監(jiān)測幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”，就好比是要用肉眼去觀察幾百公里外的一根蠟燭，難度可想而知。今年建成的子午工程標(biāo)志性設(shè)備之一——海南三亞非相干散射雷達(dá)就掌握了這一關(guān)鍵核心技術(shù)，這也是目前世界最先進(jìn)的地基電離層探測設(shè)備。

　　我國建成世界最先進(jìn)地基電離層探測設(shè)備

　　總臺央視記者 任梅梅：現(xiàn)在我們就來到了整個雷達(dá)陣列的底部，在這里我們看到每一個天線單元下面連接了一個個的組件。這些組件正是雷達(dá)陣列的核心部件，能夠發(fā)射和接收信號。

　　專家告訴我們，8320個單元在統(tǒng)一的指令下，朝著同一方向向空中輻射電磁波，能量就會集中，威力更大。

　　中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程師 張寧：通過8320個組件可以將強(qiáng)大的能量輻射到電離層，然后電離層會散射微弱的回波信號。然后我們通過低噪聲放大和波形的編解碼，可以對微弱的散射信號進(jìn)行分析，得到電離層的參數(shù)，將電離層中電子和離子的狀態(tài)，像顯微鏡一樣放大給科學(xué)家。

　　高度越高，電離層中電子的密度就越稀薄和難以探測。目前國際電離層探測高度在幾百公里。而三亞非相干散射雷達(dá)作為世界上目前口徑最大、功率最高的相控陣非相干散射雷達(dá)，將電離層探測高度提升到了上千公里。

　　不僅如此，它探測精度和靈敏度達(dá)到國際領(lǐng)先水平，能夠捕捉像等離子體這種更加細(xì)微的粒子的變化。投入運(yùn)行以來，三亞非相干散射雷達(dá)首次觀測到高時空分辨率的電離層等離子體空洞剖面結(jié)構(gòu)，為開展相關(guān)物理研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

　　中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員 樂新安：三亞主站，我們有發(fā)射接收功能。在海南島西北的儋州和東北的文昌還有兩個接收站，形成了“一發(fā)三收”的非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)?？梢院唵卫斫鉃榫褪且慌_面向太空的“超級CT”，就能相當(dāng)于同時得到三個CT切面，更好地對整個空間環(huán)境的立體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。三亞非相干散射雷達(dá)是我們國家地基空間環(huán)境探測技術(shù)的一個重大突破，填補(bǔ)了我們國內(nèi)在地基電離層探測上大裝置的一個空白。

　　此外，作為高功率雷達(dá)，三亞非相干散射雷達(dá)還是其他射電天文設(shè)備的理想信號源。目前已攜手中國“天眼”FAST以及四川稻城圓環(huán)陣太陽成像射電望遠(yuǎn)鏡開展聯(lián)合觀測，并初步取得一批成果。據(jù)了解，下一步三亞非相干散射雷達(dá)還將拓展月球及小天體的監(jiān)測能力。

　　子午工程二期初步建成 進(jìn)入聯(lián)調(diào)試運(yùn)行

　　總臺央視記者 任梅梅：在位于北京懷柔的中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，我們還看到了陣列式大口徑激光雷達(dá)、行星際閃爍監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡等，它們都是子午工程二期的標(biāo)志性設(shè)備。我們了解到目前子午工程二期已建設(shè)完成空間天氣監(jiān)測設(shè)備195臺套。

　　中國科學(xué)院院士、子午工程二期總指揮 王赤：子午工程二期，現(xiàn)在我們正處在一個綜合調(diào)試、聯(lián)測聯(lián)試、試運(yùn)行的一個階段。我們爭取明年完成國家驗(yàn)收，正式進(jìn)入運(yùn)行階段。

　　子午工程是中國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，一期工程2008年開工建設(shè)，2012年正式運(yùn)行，沿東經(jīng)120°、北緯30°，建成一縱一橫、15個綜合性臺站、87臺套監(jiān)測設(shè)備。在了解我國120°子午鏈近地空間環(huán)境特征、空間天氣擾動傳播和演化等方面取得了系列原創(chuàng)成果。

　　工程二期2019年開工建設(shè)，新增16個臺站、58個觀測點(diǎn)、195臺套監(jiān)測設(shè)備，與一期工程協(xié)同，沿東經(jīng)100°、北緯40°形成覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形地基空間環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)，覆蓋范圍更廣、探測高度更高、監(jiān)測能力更強(qiáng)。

　　中國科學(xué)院院士、子午工程二期總指揮 王赤：到了子午工程二期之后，我們有一些“硬核”的產(chǎn)品在國際上都處于領(lǐng)先的地位。比如說在稻城的圓環(huán)陣，是國際上孔徑最大的一個太陽射電望遠(yuǎn)鏡。再比如說氦激光雷達(dá)，形成了6米口徑對中高層大氣全天候的探測能力。它的探測性能達(dá)到了1000公里，這在國際上所有的設(shè)備當(dāng)中，目前我們了解到的，這是屬于最高水平。

　　將與一期組成世界最大空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)

　　子午工程二期采用“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的設(shè)計架構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了對我國上空日地空間環(huán)境的全圈層、多要素、立體式探測。

　　“一鏈”，即太陽-行星際監(jiān)測鏈，形成了對太陽-行星際-地球的全天候監(jiān)測能力；“三網(wǎng)”包括地磁監(jiān)測網(wǎng)、中高層大氣監(jiān)測網(wǎng)和電離層監(jiān)測網(wǎng)，開展“全景”監(jiān)測；“四聚焦”指的是針對地球兩極、北方中緯、海南低緯和青藏高原這四個空間天氣擾動、圈層耦合較為特殊和強(qiáng)烈的地區(qū)，開展“顯微”探測。

　　中國科學(xué)院院士、子午工程二期總指揮 王赤：子午工程二期增加了對空間天氣的活動源頭——太陽的監(jiān)測，形成了從太陽到地球、端對端的空間環(huán)境的監(jiān)測，這在國際上是第一次，也是唯一的一個空間環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，做到了整個日地空間端對端的觀測。

　　據(jù)了解，未來子午工程一期和二期將運(yùn)行多達(dá)44種、近300臺儀器，能夠同時覆蓋色球、日冕、太陽風(fēng)、磁層、電離層、中高層大氣，一直到低層大氣。

　　中國科學(xué)院院士、子午工程二期總指揮 王赤：瞄準(zhǔn)世界科技前沿，我們能夠回答太陽活動如何影響地球的空間環(huán)境。在滿足國家重大需求方面，能為空間天氣預(yù)報精度的提高提供數(shù)據(jù)支撐，能保障航天、通信、導(dǎo)航等一系列的國家的空間基礎(chǔ)設(shè)施、高技術(shù)設(shè)施運(yùn)行的安全。

　　(總臺央視記者 帥俊全 任梅梅 董良言 張偉克)