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解读“子午工程”与“夸父计划”

摸摸太阳的脾气 算算太空的天气

2011年09月08日 来自: 《经济日报》 2011年9月7日 星期三 16版

已经通过预验收、明年即将正式运行的“子午工程”,是空间天气学国家重点实验室提出和牵头建设的“十一五”国家重大科技基础设施项目。空间天气学国家重点实验室是全球第一个以“空间天气”命名的实验室,这个实验室的建立对空间天气的观测和预报能起到什么作用?本报记者对该实验室主任王赤进行了专访。

学者名片

王赤:中科院空间科学与应用研究中心研究员,空间天气学国家重点实验室主任,国家杰出青年基金获得者,“子午工程”总工程师。美国麻省理工学院物理学博士,曾任麻省理工学院空间研究中心研究科学家。

太阳打喷嚏 地球就感冒

记者:什么是“空间天气”?

王赤:日常生活中的天气变化,如刮风、下雨、打雷、下雪等,是由离地面10公里内的地球低层大气的变化引起的。而空间天气,通俗的说法就是“太空天气”,发生在距离地面20至30公里以上的空间,是低层大气中的最外层——平流层以上的区域,依次包括中高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳大气等各个不同的空间层。太阳上出现的耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动,会对这些空间层产生严重影响,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。

太阳风中的气团主要内容是带电等离子体,以每小时150万到300万公里的速度闯入太空,会对地球的空间环境产生巨大冲击。太阳风暴爆发时,将影响通讯、威胁卫星、加大GPS导航误差、破坏臭氧层,对人体的健康也可能会造成一定影响。

“太阳打个喷嚏,地球就会感冒”,这句话十分贴切地形容出太阳和地球的关系。

记者:太阳打喷嚏是怎么让地球感冒的?“空间天气”能预报么?

王赤:太阳的爆发主要以三种方式影响地球。第一种是太阳的电磁辐射,也就是“光辐射”。太阳会突然发生变化导致电磁辐射剧烈增强,特别是它的紫外线波段,这个过程发生后,以光速传播,八分半钟到达地球。第二种是太阳爆发时导致的高能粒子,高能粒子爆发产生的粒子雨十到几十个小时后到达地球,会影响航天器的安全运行,甚至会威胁宇航员的生命安全。第三种是太阳爆发产生的大量的物质,即日冕物质抛射,对地球空间环境产生的影响最大。“日冕”是太阳的外层大气,它里面的物质爆发时,能量巨大,速度大概是每秒钟几百公里,一般两到四天传播到地球。当太阳风暴袭击地球时,会使地球磁场产生激烈的扰动——磁暴。磁暴不但影响高空的空间状况,还会影响地基的技术系统。例如,有可能通过电磁感应,在长距离输电的供电网中诱发强大的冲击电流,造成输电网络瘫痪。

就我们现在的认知水平而言,空间天气的变化源头是太阳活动。太阳爆发活动我们很难预测,跟地震预报一样难。但如果已经发现了太阳爆发活动,我们可以打个时间差,预报上述三种太阳爆发形式中传播速度相对较慢的后两种形式对地球的影响。

当然,不是所有太阳爆发活动都对地球造成影响,事实上绝大部分太阳爆发活动都不会对地球造成影响,首先太阳爆发活动不一定冲着地球来;其次就算在太阳表面是冲着地球来的,中间还可能转弯(日地距离在1.5亿公里左右),绕过地球;第三,就算到了地球,也需要一定条件(比如行星际磁场方向需与地球磁场方向相反)才能冲破地球磁场。所以,我们必须对日地空间的物质运动变化规律进行研究,才能有效预报太阳活动对地球的影响。我们现在的空间天气预报水平还比较差,大致相当于天气预报在上世纪五六十年代的水平。

记者:空间天气研究有何意义?

王赤:空间天气研究的意义主要在两方面。

首先是为满足实际应用的需求。通过观测、研究,预测出太阳活动对我们的影响,可以减轻或防止太阳活动带来的灾害。例如,预测“粒子雨”何时发生,就能避免宇航员的伤亡。又如,太阳磁力变化会对地面通讯造成影响,如果我们能提前预警,就能及时采取其他通讯手段以避免影响。

其次,空间天气学的研究有理论意义。低层大气的研究对象是中性物质,物质的分子和分子之间以碰撞作用为主,因此我们一直采用经典的气体动力学来研究低层大气。但高层大气已经十分稀薄,分子之间的碰撞作用几乎不存在,大部分已经电离,形成了等离子体,传统的气体动力学已经不适用于高层大气以及整个空间天气学的研究。因此我们要研究空间天气,必须要了解在非碰撞条件下带电粒子的物理过程和运动规律,开拓一个全新的学科领域。空间天气学还对宇宙学、太阳物理学、计算机建模知识、地球物理学等其他学科的研究有促进作用,它是一个多学科交叉的科学体系。

天地一体化 网格全覆盖

记者:如何提高空间天气的预报能力?

王赤:这需要从三个方面着手。

其一是观测。通过天上的卫星和地上的观测台站,掌握直观、详细的空间天气变化数据,全面了解从太阳到地球空间的空间状况。

其二是理论。真正掌握空间天气的物理过程和变化规律,建立经验和物理模型,未来的方向是数值空间天气预报。

其三是计算机能力的提高。只有高性能计算机和海量存储发展之后,我们才具备“硬件条件”,能支持“空间天气”的演化、预测中出现的复杂计算和信息的存储。

空间天气学预报体系的建立需要观测、理论、计算机硬件支持建设三个方面的努力,科研信息化将发挥重要的作用,我们初步建立的空间天气数字实验室就体现了这三方面的需求。

记者:空间天气数字实验室为实现这个目标,目前已经进行了哪些工作?

王赤:实验室目前的建设包括两大部分,一是建立利用空间天气探测数据和预报模式的框架。这是空间天气数值预报业务的基础,进行空间天气数据探测的主要是“天基”和“地基”。二是建立空间天气网格体系,为科学家提供一个高度信息化的科研环境。

“天基”包括“双星计划”和正在筹备的“夸父计划”。“双星计划”发射近地赤道区卫星和极区卫星进行太空监测工作,已分别于2003年、2004年成功发射,进入运行阶段。“夸父计划”是指我国正在筹划发射的三颗卫星。其中“夸父A”卫星将设置在距地球150万公里的日地连线上,用来全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象。“夸父B”将在地球极地大椭圆轨道上飞行,用来监测地球近地空间环境的变化,尤其是极光现象,因为极光现象是人类肉眼能看到的唯一一个空间天气现象,它是太阳高能粒子沿着磁力线打到地球极区,在地球极区的高层大气上激发,然后产生的发光现象。

“地基”有“子午工程”和以此为基础的全球合作项目“国际空间天气子午圈计划”。“子午工程”是指沿东经120°子午线和北纬30°纬度线建设15个空间天气观测台站,北起漠河、经北京、武汉,南至海南并延伸到南极中山站,东起上海经武汉、成都西至拉萨,用以监测高层大气、电离层和磁层等的活动变化。因为子午线与地球磁力线走向一致,随着地球自转,子午工程的观测站就能对地球空间等进行全景扫描,从而得到科学数据。“国际空间天气子午圈计划”是以“子午工程”为基础,与俄罗斯、澳大利亚、美国、加拿大等国联合,建成环绕地球一周的、更完整的空间环境监测台站子午圈,为理论研究和预报业务打下基础。

空间天气网格体系是指利用高性能计算机系统,建立起一个强大的虚拟平台。科学家只要经过账户和密码就能登录到空间天气网格虚拟平台中,查询相关数据,并将监测到的数据反馈、上载到数据库中,同时还能根据空间天气网格数据库中的模型计算出相应数据,完成科学研究。空间天气网格目前已经建成,为空间天气学科研工作者提供了一个资源共享、信息交换、协同工作的科研环境,使科学家“在家搞科研”成为可能。

记者:空间天气学实验室何时成立?有多少研究员?

王赤:2006年,空间天气学国家重点实验室由科技部批准建设,2009年完成建设,这是我国空间物理领域第一个国家重点实验室。目前实验室有研究人员60余人,其中包括2名中科院院士、5名国家杰出青年获得者。

研究刚起步 志当存高远

记者:综观全球,空间天气学的研究现状如何?处于什么阶段?

王赤:空间天气学是一个新兴研究领域,“空间天气”的概念上世纪90年代才被正式提出,但空间天气学的发展十分迅速,目前美国、欧空局等开展了一系列的空间天气探测和研究计划,大型的空间天气国际合作计划如“与太阳同在”计划等也得到了国际空间界的广泛响应。

对于空间天气物理规律的探索,在全球基本处于起步阶段,于本世纪初期才开始,最早是由美国牵头的。目前几个空间天气研究大国的物理模型各具特色,但由于空间天气研究还未进入业务预报阶段,这些模型未经实际结果验证,无从评价其好坏。

记者:我国的空间天气研究已经取得哪些成绩?在国际上处于什么位置?

王赤:就大环境来说,中国正在进入太空时代,我们如今一年发射的卫星数量,就比“九五”、“十五”期间的发射总量都多,这给空间天气研究提出了更迫切的需求。

我国在空间天气研究领域的起步基本与国际同步,我们的空间天气学国家重点实验室还是全球第一个以空间天气命名的国家实验室;我们的“子午工程”观测站已经通过预验收,明年就可正式投入使用;实验室还在世界范围内首次建立起一套极具特色的日冕—行星际耦合、太阳风与磁层相互作用的物理模型等;而“国际空间天气子午圈计划”完全由中国科学家设计和主导建设,这是中国第一次在太空天气研究领域处于国际合作的主导地位。

总之,我们的“地基”探测居于国际先进位置,“天基”探测差距较大,物理模型有自身特色,总体而言居于第二梯队的一流水平,与第一梯队的美国相比,还有明显差距。

可以说,目前是中国空间天气探测与研究的“黄金期”,只要把握好发展时机,我们有望在5到10年内进入国际先进行列。

记者:空间天气数字实验室未来发展方向是什么?要解决哪些问题?

王赤:实现空间天气的数值预报,是空间天气数字实验室未来的核心发展方向。

数字实验室发展的最终目的是将空间天气领域的研究成果应用到空间天气预报的实践活动中去,也就是建立物理模型、实现精准的空间天气数值预测业务,使得航空、导航、通讯等易受空间天气干扰的人类活动得到提前预警。要真正实现空间天气预报,要做好下面两方面工作。

首先,我们要继续深入研究空间天气的物理过程,深入探究各个圈层之间的耦合关系,如太阳大气和行星际空间的耦合关系,太阳风和地球空间是如何相互作用的,地球空间的不同圈层之间是如何耦合的?同时,我们要建立这些相互作用的物理模型,根据理论体系推导出一套可计算的模型,在观测到太阳大气有某方面变化后,再根据模型计算、演化出下一步的发展情况和对地球的具体影响。

另一方面,要继续加强“天基”、“地基”建设,完善我国的空间天气监测体系,力图实现对空间天气综合、全程的跟踪测量。虽然我们的“天基”、“地基”工程建设迅速,但与空间天气事业起步较早的美国等国相比,中国的基础探测设施数量仍然较少。“子午工程”只有15个观测站,而卫星就更少,“夸父计划”还未进入工程实施阶段。此外,促进中国与其他国家在空间天气研究领域的合作和数据共享,以我为主开展实质性的国际合作,为增加人类的空间天气知识做出中国人的贡献也是我们努力的方向。



 

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