攻堅｜織“觀天巨網” 探子午乾坤——踐行“子午精神”

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文 ｜ 《中國科學報》 記者 倪思潔

“北京郊區拍到極光！”“新疆出現20年難遇的紅色極光！”“南半球爆發500年一遇的南極光！”2024年5月11日凌晨，全球各地出現絢麗極光。

此時，地球經歷著20年未見的超級地磁暴。全球多地大面積短波通信中斷，天波超視距雷達探測能力嚴重下降，全球導航衛星系統信號中斷。美國太空探索技術公司（SpaceX）首席執行官埃隆·馬斯克公開說：“‘星鏈’衛星面臨著很大壓力。”

對于地磁暴，中國早有防備。地磁暴發生的兩天前，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）空間環境預報中心就發出了X級耀斑和超級地磁暴的預警。而他們的自主監測數據基于一張“觀天巨網”——子午工程。

子午工程利用地基監測日地空間環境。

子午工程是我國空間環境地基綜合監測網，呈“井”字形分布，東起上海，西至拉薩，北起漠河，南抵海南并延伸至南極中山站，282臺監測設備遍布于約960萬平方公里的國土之上，監視著從太陽到地球1.5億公里間的蛛絲馬跡。

織起這張“觀天巨網”，耗費了中國科學家30多年的心血，也凝結了他們矢志創新、攻堅克難、協同聚力、開放共享的“子午精神”。

矢志創新的科學追求：

“連夢都不敢做，那就成不了大事”

今年3月21日，超級地磁暴事件發生時仍處于試運行狀態的子午工程二期，正式通過國家驗收，它與子午工程一期組成了世界最大的監測空間環境的地基網絡。中國科學家追逐了30多年的子午夢，正在穩步實現。

子午工程二期總指揮王赤（左4）在子午工程綜合信息與運控中心指導工作。

早在上世紀80年代末至90年代初，太陽一度處于周期性活動高峰，全球各地事故不斷。1989年3月13日，太陽風暴造成加拿大魁北克地區電網停電，損失達10億美元。兩年后的1991年4月29日，強地磁暴又使美國緬因州核電廠遭到災難性破壞。

當發達國家紛紛謀劃發射衛星監測太陽時，1993年，負責起草中國空間物理發展規劃的中國科學院日球物理數值開放研究實驗室主任魏奉思感到，發展中國的空間物理學，首先要把監測空間環境的能力建設起來。

沿著這個思路，結合當時國內的技術能力，他想到了一條與國外截然不同的發展路線——用現有地面觀測臺站，在我國境內組建一個覆蓋東經120度、北緯30度的“十”字形地基監測鏈。

魏奉思把這一科學構想稱為“東半球空間環境地面綜合監測子午鏈”，簡稱“子午工程”。

在我國尚缺乏成熟空間環境監測技術的當時，有人認為魏奉思的想法“簡直是在做夢，不可能實現”。魏奉思卻篤定地說：“科學家應該有夢想，如果連夢都不敢做，那就成不了大事。”

他與志同道合者一起，通過中國科學院向國家科技委報送了子午工程項目。經過層層選拔，1997年，該項目被國家科技教育領導小組確立為國家重大科學工程。

2000年，59歲的魏奉思即將退休，尚未落地的子午工程成了他的心結。思來想去，他聯系了遠在美國的中國年輕人王赤：“我們有一個重要的項目馬上就要國家立項，我年紀大了，你愿不愿意回來？”

從魏奉思的介紹中，王赤意識到，子午工程的設計“在國際上是獨一無二的”。這年12月，王赤歸國加入中國科學院空間科學與應用研究中心（后更名為中國科學院國家空間科學中心），成為子午夢的接力者。

攻堅克難的技術膽識：

“想在技術上突破，沒點膽量不行”

2005年，子午工程一期正式立項。2008年，工程建設啟動并于4年后建成“十”字形觀測鏈。其中，包括15個觀測臺站、87臺不同類型的監測設備。

6年后的2018年，為了滿足全國范圍覆蓋、全圈層覆蓋、立體式探測的需求，子午工程二期立項，并于次年開工建設。在一期基礎上，子午工程二期新增16個臺站。最終，子午工程覆蓋東經100°、120°和北緯40°、30°兩縱兩橫區域，共有31個臺站、282臺監測設備。

作為子午工程二期總指揮、空間中心主任，王赤介紹：“太陽活動是地球災害性空間天氣之‘因’，地磁暴等近地空間環境響應是太陽風暴與地球空間環境相互作用之‘果’。要研究日地空間天氣因果鏈，就要有更強的探測設備。”

正因如此，從一期到二期，子午工程實現了“從無到有”到“從有到強”的轉變。“一期時，我們的研制能力很弱，大部分設備是從國外購買的。到二期時，我們更希望能夠自力更生，實現核心關鍵技術的突破。”王赤回憶。

“自力更生”意味著要能頂住風險和壓力。“想在技術上突破，沒點膽量不行。”王赤說。

他們大膽地加入國際上從未有過的設施和技術。俗稱“千眼天珠”的圓環陣太陽射電成像望遠鏡就是其中最具挑戰性的裝置之一。

圓環陣太陽射電成像望遠鏡。

“千眼天珠”位于四川稻城縣海拔3830米處，是目前全球 最大的綜合孔徑射電望遠鏡。裝置中，313臺直徑6米的天線均勻分布在1公里直徑的圓環上，像向日葵一般跟著太陽轉動，圓環正中心是一座百米高的定標塔。

為了解決復雜的系統工程問題，團隊突破數百項影響望遠鏡功能和性能的關鍵核心技術，又克服高寒缺氧、大雪封山的困難，連續在現場駐守300多天，使得設備系統集成工作比計劃時間提前50天完成。回憶起這段歷程，“千眼天珠”主任設計師、空間中心研究員閻敬業笑著說：“我們在最高的海拔，干了最燃的事。”

除了“千眼天珠”外，子午工程二期還有許多“國際第一”和“世界之最”：陣列式大口徑激光雷達，是國際首臺全季節陣列式大口徑激光雷達；三站式非相干散射雷達，是全球探測能力最強的相控陣非相干散射雷達；中緯高頻雷達，填補了國際超級雙極光雷達網監測空白；行星際閃爍監測望遠鏡，接收面積比國際上最大的行星際閃爍監測望遠鏡多6%……

陣列式大口徑激光雷達。

三站式非相干散射雷達。

行星際閃爍監測望遠鏡。空間中心供圖

通過自主創新，子午工程二期實現了“一鏈、三網、四聚焦”的架構，具備了進行日地空間全鏈條監測，我國區域電離層、中高層大氣、地磁的3層網絡化監測，以及在極區高緯、北方中緯、南方低緯、青藏高原4個重點區域監測的能力。

協同聚力的系統思維：

“形散而神聚，無往而不勝”

空間中心懷柔園區的“子午樓”是子午工程綜合信息與運控中心的所在地。運控中心的大屏幕實時滾動著來自全國各地282臺設備傳回的數據。屏幕旁邊的墻上，貼著16家子午二期工程參與單位的標識，每個標識都被印在六邊形上，六邊形連成一片。

王赤自豪地說：“別看設備分布在全國各地、參與單位很多，我們卻做到了形散而神聚，無往而不勝。”

“形散而神聚”5個字，王赤用了20年才真正摸透。

2005年，子午工程一期立項時，有12家單位參與。當時，一位同行善意地提醒王赤：“按照我們的經驗，有些大裝置一家做都做不好。你們這么多家做，這么散，怎么管？”

王赤一時給不出答案，只能誠實回答：“我們將參照航天工程的管理方式，摸索出一個辦法。”

20年間，王赤對“這么散，怎么管”的問題越來越有底。他發現，相比設備本身，數據才是子午工程的“神”，“大家聚在一起是為了從各自不同的專業領域了解空間天氣的變化規律，那么，能把大家聚在一起的就是數據”。

在業務管理上，子午工程采用矩陣化方式，分為空間環境監測系統、數據通信系統、科學應用系統3個分系統，各分系統下面又有很多子系統。“空間環境監測系統，是像感官一樣采集數據的探測設備；數據通信系統是神經系統，對感受到的數據進行處理和傳輸；科學應用系統相當于大腦，可以分析科學數據。”王赤說。

單位間的合作，也在業務系統下得以實現。子午工程二期建設時，科學應用系統負責集成一期和二期監測設備的信息。為了確保監測設備順利接入系統，科學應用系統必須在監測設備建成之前具備集成條件。然而，空間環境監測系統既要建設設備，又要開發相應的接口，白天十分繁忙。于是，兩個系統、來自各個單位的100多人，利用晚上的時間進行接口調試，順利完成了一期和二期的設備狀態集成。

王赤時常感慨，子午工程之所以能成功地協同聚力，比起管理之術，“最關鍵的是因為大家是為共同的科學目標走到一起的，初心使然”。

開放共享的全球視野：

“因為你們的到來，我們得以延續”

2024年10月，超級地磁暴事件發生后不到半年，子午工程科學與應用系統副總師、空間中心研究員羅冰顯在第七屆“亞洲大洋洲空間天氣聯盟研討會”上，介紹了子午工程對2024年5月超級地磁暴的觀測結果。

聽完報告后，泰國先皇理工大學教授Pornchai Supnithi找到羅冰顯。抱著試試看的心態，他問：“我們是否可以獲得子午工程的數據支持？”

Pornchai是一名空間天氣研究專家，其團隊在泰國多個站點建設了全球導航衛星系統接收機和測高儀，在觀測赤道電離層方面有得天獨厚的條件。然而，赤道等離子體泡、赤道異常等電離層異常擾動過程是一個沿著子午線、從赤道向低緯甚至中緯延伸和擴展的過程。這讓位于南方的泰國“望北興嘆”。

回國后，羅冰顯第一時間與子午工程科學運行團隊進行溝通，很快便將整理好的數據共享給了Pornchai。

這次合作讓泰國先皇理工大學備受鼓舞。了解到空間中心正在推動國際子午圈大科學計劃后，他們主動申請加入。“目前，我們正在準備簽署國際子午圈合作諒解備忘錄。”羅冰顯說。

對于子午工程里的科學家來說，開放共享的理念貫穿始終。早在2002年，子午工程一期立項前，魏奉思就提出過“國際空間天氣子午圈計劃”，希望以開放的姿態促進世界空間科學發展。

2014年，作為國際子午圈大科學計劃的先行示范項目，中國-巴西空間天氣聯合實驗室成立。當中巴雙方聯合研制的鈉鉀雙波長激光雷達傳回第一組鈉鉀密度數據時，巴西國家空間研究院激光項目組高級工程師Pimenta激動地說：“因為你們的到來，我們整個項目組得以延續！”

“在完成子午工程一期、二期之后，國際子午圈大科學計劃是我們推動全球性空間天氣監測研究的第三步。”王赤說。

如今，子午工程“井”字形“觀天巨網”正在向全球延展。“目前已有數百位國際科學家參與規劃，我們得到了來自巴西、俄羅斯、泰國、法國、美國等國的20多個研究機構以及國際組織的積極支持。”王赤說。

來源：《中國科學報》 (2025-04-29 第1版 要聞)

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