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探寻天公“变脸”的奥秘

—— 《科技日报》刊登空间天气学国家重点实验室专访

2008-07-09

2008年7月9日出版的《科技日报》第7版“发现求索”以“探寻天公'变脸'的奥秘―― 访空间天气学国家重点实验室“为题,用近整版篇幅报道了实验室。以下为报道全文:

编者按:

空间天气学是一门结合空间物理科学与应用科学的新兴学科,它具有重大的科学意义和应用前景。首先,日地系统的空间环境是地面上无法模拟的天然实验室,是自然科学原创性新发现的重要区域。同时,它是人类生存发展的重要活动场所,卫星、通信、导航、气象、资源、海洋利用和减灾防灾等领域都因它而获益;另一方面,太阳活动巨大能量和物质抛向地球,引起空间环境发生灾害性变化,对高技术系统和国防安全构成越来越严重的威胁。例如,运行在300—400公里以上高度的卫星很易受到这些空间天气变化的影响。据统计,40%的航天故障都由空间天气变化引起。而定位精度通常在10米左右的民用GPS也可能由于电离层扰动出现几百米的误差。正是由于人类社会面临发展高科技以及国家安全的巨大需求,空间天气研究上世纪90年代后期开始迅速成为国际科技活动的热点和重大前沿领域之一。

•与主任面对面

在空间天气探测方面,实验室首先提出并承担了“双星计划”和“子午工程”

(记者:徐玢 实习生:杨彩霞)

夏日的北京,一场暴雨常使人猝不及防,人们不禁抱怨天公“变脸”太快。走进位于中国科学院空间科学与应用研究中心的空间天气学国家重点实验室,实验室主任王赤告诉记者,会“变脸”的不仅仅是天气,太阳活动的影响也许会带来比狂风暴雨更严重的危害。而忙碌在实验室的科研人员的目标,就是破解空间天气变化的奥秘,并找到有效的预报方法。有朝一日,也许人们能像预报天气一样,早早地就预知、预防磁暴等灾害性空间天气变化。

“未来几十年内我国将有大量的各种应用卫星上天,载人航天、探月工程等重大航天、探月工程等重大航天活动已经规划到2030年,这也对预报和预防突发灾害性空间天气性变化担出了要求。”

  
  “未来几十年内我国将有大量的各种应用卫星上天,载人航天、探月工程等重大航天、探月工程等重大航天活动已经规划到2030年,这也对预报和预防突发灾害性空间天气性变化担出了要求。”
 
王赤:空间天气学国家重点实验室主任

记者:您能简单介绍一下什么是空间天气学吗?

王赤:我们知道,刮风、下雨、打雷这些天气现象由高度20公里以下的大气环境变化引起。空间天气学的研究区域是高度在20—30公里以外的日地空间区域,包括中高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳大气。受到太阳活动的影响,这个日地系统的空间环境与大气环境一样处于变化中,并常常给地面、空间技术系统的运行、可靠性以及人类健康和生命带来严重危害。人们把这种由太阳活动引起的高度动态的短时间尺度的条件变化称之为空间天气。

记者:空间天气学国家重点实验室是在什么样的背景下成立的呢?

王赤:我国在21世纪面临着发展高科技、实现国防现代化,建设世界强国的历史重任,减轻和避免空间灾害、建设空间天气保障体系成为一种紧迫的国家需求。 2006年发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》将“太阳活动对地球环境和灾害的影响及其预报”列为基础研究的科学前沿问题之一。未来几十年内我国将有大量的各种应用卫星上天,载人航天、探月工程等重大航天活动已经规划到2030年,这也对预报和预防突发灾害性空间天气变化提出了要求。总言之,国家在空间科学事业的发展和航天、通讯等高科技领域的保障要求两方面都对空间天气的研究提出了强烈的需求。

记者:实验室研究工作的主要内容是什么,取得了哪些代表性成果呢?

王赤:实验室的主要研究方向是空间灾害性天气及其对人类的影响。

在空间天气探测方面,实验室首先提出并承担了“地球空间双星探测计划(简称双星计划)”和“东半球空间环境地基综合监测子午链(简称子午工程)”。

“双星计划”是我国第一个以科学发现为目标的空间探测计划,包括赤道区卫星和极区卫星。两颗卫星分别于2003年12月和2004年7月成功发射,形成了具有创新特色和独成体系的星座系统。“双星计划”与欧洲空间局(ESA)Cluster的4颗卫星密切配合,首次形成了人类历史上地球空间的“六点探测 ”。

“子午工程”利用我国在沿东经 120°子午线、北纬30°纬线附近现有的15个监测台站,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段,连续观测日地空间环境中的地磁场、电场等相关参数。工程已于今年1月开工,预期2010年底完工。基于“子午工程”,实验室提出“国际子午圈计划”建议,并已得到世界十多个国家的支持。

利用“双星计划”以及“双星—Cluster”联合观测数据,实验室取得了大量第一手的多空间层次和多时空尺度的探测数据,引发了国际上磁层研究的新焦点,推动了磁层研究的进展。

“双星计划”首次探测到磁层亚暴“锋面区”的形成过程、主要特性和亚暴膨胀相开始的触发过程,以及强磁暴期间系列亚暴的“锋面”触发过程。根据上述探测和研究结果,研究人员提出了一种新的磁层亚暴驱动和触发的时序演化过程,使中国科学家在磁层亚暴形成理论研究领域有了自己的声音。

“双星—Cluster”联合探测首次发现了弓激波前太阳风中的离子空洞,对太阳风结构有了进一步的了解,首次观测到行星际磁场北向时向阳面磁层顶区的磁场重联,为太阳风能量、物质如何传输到地球空间提供了证据。

“双星计划”首次探测到中性原子源的三维分布、中性原子极光图像、带电粒子磁力线方向运动的演化过程等一批新现象,提出了一种新型的中性原子成像反演模型,揭示了粒子流动和极光现象之间关系。

目前,结合“双星计划”探测数据实验室已发表论文45篇,其中SCI收录论文43篇。

记者:与国内外相同学科领域实验室相比,目前实验室的地位和作用如何?

王赤:国内类似的实验室主要集中在高校,它们在空间天气过程涉及的5个空间区域的研究各有特色。与此相比,我实验室的学科布局涵盖了所有5个空间区域,学科综合优势明显,人才队伍整体实力雄厚,在空间天气学领域具有一定影响力。

从国际上看,与国际一流的空间天气模式中心(CISM)相比,虽然实验室在人才队伍规模和资源投入方面都有差距,但我们在许多方面的研究仍有优势。实验室负责了我国空间天气天基和地基的国家重大任务,在天体一体化的观测方面处于国际先进水平。另外我实验室在行星际扰动转播研究和磁层多时空尺度过程研究和数值计算方面取得了有国际影响的科研成果,并与CISM的部分科学家和研究机构有良好的合作关系,CISM研发队伍当中就有实验室空间天气创新团队的海外成员。

记者:作为实验室主任,您在管理实验室的过程中有哪些感受?

王赤:首先,实验室要明确定位,面向国家重大战略需求和世界科技前沿,制定切实可行的发展规划和实施方案。我实验室提出和负责实施的“双星计划”和“子午工程”就是在该战略思路下的杰出成果。目前,实验室正在开发我国第一代空间天气集成预报模式,开展以国家目标为导向的基础和应用基础研究,为国家空间天气的应用服务提供科学基础。

其次,实验室的发展要以科研人员为本,着力培养高层次、高水平的杰出人才和打造勇于创新的研究团队。国际知名实验室非常重要的一个方面就是要拥有国际知名的科学家。2006年,实验室魏奉思研究员成为中国科学院院士;从1999年开始,实验室连续5年获得国家杰出青年基金;2006年,空间天气物理模式研究团队获得基金委创新研究群体科学基金。

实验室还要重视基础能力的建设,才能实现可持续发展。目前,我实验室拥有Cluster数据库中国数据中心、“双星计划”数据中心和“双星计划”科学运行中心等;2006年新建的一套高性能计算设备,在当年中国高性能计算100强中排名第45名。实验室还正在建设我国第一个为星上有效载荷测试标定的紫外辐射定标系统。

另外,只有开展实质性的国际合作,才能始终站在国际科学研究的前沿。实验室正在推动以“子午工程”为基础,由我国牵头组织的“国际空间天气子午圈计划”,建立常设的国际合作机构,开展战略性、基础性国际科学合作。同时参加“国际与日同在”等大型国际科技合作计划,使我国空间天气研究与国际同步跨入空间天气研究新世纪。

记者:实验室下一步有哪些发展计划?

王赤:实验室根据国家重大战略需求和世界科技前沿,制定了近、中和长期的发展目标。下面具体介绍一下实验室的近期和中期的目标。实验室分别制定了近期和中期两个具体的目标。

到2008年,实验室计划在“双星计划”和“Cluster计划”的科学研究中取得突破性进展,包括对磁层亚暴“锋面理论”的观测检验、磁层空间电流体系和电流分布的数值模拟研究等;完成“子午工程”的建设工作;完成国家重点实验室和海南空间天气国家野外观测研究站的建设任务。

实验室的中期目标是到2012 年,全面实现“双星计划”和“子午工程”的科学目标,取得一批有原创性的科研成果;基本弄清灾害性空间天气过程的物理规律,建立起空间天气事件连锁过程的因果链物理模式,实现将空间天气基础研究成果向应用的转化;在中国空间天气探测中起到骨干和引领作用,提出和推动新的空间物理和空间天气天基探测计划,并具备空间探测关键有效载荷的研制和定标能力;以“子午工程”为基础,推动国家空间天气地基监测网和“国际空间天气子午圈”大型科技合作计划;造就数名国际知名学者和数个实力雄厚的研究团队;初步成为国内领先、国际知名的空间天气科学中心之一。

•实验室实录

一组数据洞悉“千里之外”

(文: 实习生 杨彩霞 记者 徐玢 )

闷热的天气和周围的嘈杂让人烦躁不安,再加上对揭开那层神秘面纱的期待,记者迫不及待地走进了空间天气学国家重点实验室。

楼道里挂着实验室的宣传资料,在王赤的带领下,走进一间大的会议室,观看了海南空间天气综合观测站的一些基本情况。海南空间天气综合观测站位于我国低纬地区,风景迷人,但也多易发生各种包括不规则结构在内的电离层现象,是进行低纬地区中高层大气和电离层探测预报与研究的极好的综合性空间环境观测站,也是 “子午工程”的重要综合观测站。观测站有大气电场及其探头、DPS-4电高层测高仪、电离层闪烁监测仪及其天线等大量观测设备,它们都是自动化的设备,几乎不用人去管理,探测数据通过网络传回北京。

穿过走廊,走进中国地球空间双星探测中心,在这里不得不让人惊叹于科技力量的强大。如此浩大的双星探测工程,所探测的数据通过地面接收站接收,就放在记者眼前的两个双星数据中心服务器上。研究人员就可以通过专门界面直接对探测数据进行处理和分析。对海南观测站的观测设备在北京可以对其进行远程控制和操纵,设备上的数据每15分钟传输一次,网络正常情况下,1—2分钟就可以传输到台站上。研究人员可以通过数据来判断电离层的一些情况。实验室在职科研人员、访问学者、在站博士后和在读研究生;承担实验室空间天气科学基金的外单位人员;与实验室成员有合作课题的外单位人员这些人员都可以直接使用系统。

双星数据中心服务器需要防尘、低温,所以有一扇玻璃门隔开,温度要保持在24.5℃左右,所以室内有3台空调同时工作。如果没有特殊需要的话,研究人员也没有必要去接触那两个价值300多万的“宝贝”。

由于实验室正在进行工程建设,所以实验室成立了实验室盈都分部。盈都分部的设备分为计算、存储、可视化系统三个部分。这些设备的正常运行需要将室温保持在20℃左右。

实验室盈都分部的超级计算机(以下简称计算中心)与空间中心大院北楼的实验室本部的“双星计划”数据中心(简称数据中心)的关系如下相得益彰:数据中心收集的是双星探测到的原始数据和经过资料同化之后的可用数据,从三大研究手段“理论、实验和计算”角度来说,它为探测,应属于实验范畴,而计算中心则当然属于计算范畴;数据中心为计算中心的模式计算提供初边值条件,同时应用于对计算结果的验证,而计算中心数值模拟的结果又可以(通过理论模型等)为数据中心服务,特别是其中数据处理工作。

实验室积极组织和承担国家重大科技任务,大力提倡团队协作精神,营造良好的工作氛围。同时还为高水平的人才提供优良的工作条件和一个表演的舞台。实验室实行首席研究员和研究员的创新团组制度,由太阳日冕创新团组、行星际创新团组等8个课题组组成。每个创新团组实行课题负责制,有力地调动了高水平科研人员的积极性,将实验室凝聚成一个积极上进的学术群体。

•乐在实验室

沈芳:这里的氛围严谨又宽容

(文: 实习生 杨彩霞 记者 徐玢 )

“一两个月之内就签约了,这里的老师很真诚,是真正的踏踏实实做科研的人,我深深地被这种科研氛围所吸引。”沈芳说话时态度很中肯。

如果不介绍,您可能猜不到这个刚刚30岁的研究太阳行星际组的副研究员,以前的专业却是计算流体力学。1995年进入北大读本科、直博,2004年6月份北大博士毕业后,沈芳来到这里,那时,这里还只是中国科学院的重点实验室。

说到为什么会选择空间天气,沈芳说:“我想把力学当作一种实际应用的工具。而不是作为科研的目的。而现在空间天气中MHD模拟的好多方法都是从计算流体力学中引申而来的,所以有很多相通之处。”但对于学习力学的沈芳来说,空间天气学仍然是一门陌生的学科。

从一张白纸到现在的副研,以及一项国家自然科学基金———青年基金的负责人,沈芳所取得的成就与老师冯学尚研究员的精心培养是分不开的。在冯研究员的指导下,一开始,沈芳看一些专业的文献资料,对空间天气学有了大体的了解。后来,冯研究员又为沈芳提供一些专业的论文来看,正是这些文章,使沈芳找到了目标,找到了动力。

“以前在北大读博士时,同专业的学生交流并不是很多,但在空间天气学国家重点实验室里,大家经常一起交流探讨,介绍自己的研究工作和进展情况,对其他组员和学生当前的研究进展都有所了解,对当前的研究前沿,也都能捕捉到。”

沈芳在空间天气的研究上已经取得了相当的成就,目前已在国外杂志发表了两篇论文。“这也得益于我们实验室严谨踏实做科研的氛围,及相关人员注重深入研究,喜欢挑战的精神。”她笑着说。

由于研究员的数量有限,为了鼓励年轻人的发展,最近,所里还特别设置了“预备研究员”的职位,30—40岁的优秀副研,可以先申请成为“预备研究员”,享受和研究员同样的待遇和出国进修考察等机会,如5年“预备期”的表现出色,可以成功晋升研究员。说到这一政策时,沈芳显得很兴奋:“这是所里和实验室注重培养青年的体现。这里的科研氛围和我想像的一样,严谨又宽容。”

聊到宽容,沈芳回忆说:“2006年因为怀孕的原因,感觉自己变‘笨’了,看文献,写程序都不如以前顺利,但领导给予了最大程度的支持和理解,在自己身体感觉不适的时候,部分数值计算工作干脆让我回家做。”虽然生活上对科研人员很宽容,但对学术绝对是一丝不苟的。

“优秀的人太多了,工作压力还是很大的。”但当记者问到对自己的研究有没有信心时,沈芳笑着说:“有信心。”

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实验室备忘录

空间天气学国家重点实验室的前身是1993年成立的“中国科学院月球物理数值开放实验室”,于1994年12月5日批准正式对外开放。1999年空间中心经过对空间物理相关分支学科的综合,组建“中国科学院空间天气学开放实验室”,进入中国科学院知识创新工程试点重点实验室的行列。2001年中国科学院通知更名为“中国科学院空间天气学重点实验室”。2006年经科学技术部批准,组建空间天气学国家重点实验室。这是我国空间物理和空间天气领域第一个国家重点实验室。

咱们的实验室

实验室在职科研人员51人,其中中国科学院院士2名,研究员16名,平均年龄37岁,具有博士学位者约占60%。实验室形成了以中青年骨干为主的科研梯队,现有国家杰出青年科学基金获得者5名。中国科学院创新团队1个。



 

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