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空间中心科研人员发表封面文章介绍国际子午圈计划

2021年12月10日 星期五 11:50:23

中国科学院国家空间科学中心刘维宁研究员、王赤院士,法国图卢兹大学Michel Blanc教授等在2021年第12期《中国科学-地球科学》发表封面文章介绍了中国科学院牵头的一项国际大科学计划——国际子午圈计划(International Meridian Circle Program,IMCP)。该计划由我国科学家率先提出并主导,以我国子午工程为核心,联合东经120°、西经60°子午圈沿线的十余个国家或地区千余台各类仪器形成全球分布式地基探测网络,对地球空间环境进行全纬度、全天候、全要素的观测,深入研究地球空间物质和能量在太阳和地球活动双重驱动下的运动规律,研究空间天气的全球特征和演变规律,及其与全球变化的相互影响,为应对地球灾害和国家空间安全决策提供科学依据。

国际子午圈计划的研究对象是太阳活动引发的日地空间环境中的短时间尺度变化,即空间天气。它会给通信、导航、航天、电力能源等人类重要设施造成重大影响与危害,对国家安全和社会经济构成威胁。据2008年美国国家科学院的专项研究报告,人类有记录的最大空间天气事件,即1859年电气时代之前的“卡灵顿事件”如果发生在现在,一年给美国造成高达两万亿美元的经济损失。在高度电气化和网络化的今天,空间天气对高技术系统危害尤为凸显。

作为极端空间天气的发轫区,日地空间中的近地空间(电离层和中高层大气,ionosphere,upper and middle atmosphere,IMUA)的探测和研究有着重要意义。然而由于近地空间区域特殊,比飞机、气球等能探测的区域高,又比科学卫星轨道高度低,地基探测设备成为了能够全面研究该关键区域的不可替代的探测手段。对此空间区域进行全面科学观测,需要在地面尽可能多的站点部署多类科学仪器,利用现代网络及数据技术进行组网,形成一个持续、稳定、智能的全球性观测能力,从而可对从地球表面到数千公里高度的空间区域的关键要素和物理机制开展多学科观测和研究。在这个过程中,近地空间类似等离子体显示屏,上部的太阳、行星际和外地球空间,与下部的岩石圈和低层大气的运动扰动,通过圈层耦合都显现于这一独特的屏幕中。

国际子午圈计划的全球监测网络便充分利用电离层和中高层大气的“显示屏”特性,来追踪日地空间扰动(图1)的踪迹。国际子午圈计划主要观测的日地空间的不同类型的扰动(图1中所示)及其时间尺度如下:

A 太阳活动和太阳风/磁层/电离层扰动(分钟到几十年,甚至更长);

B 对流层/平流层天气系统扰动(小时到年);

C 气候系统的扰动和长期演化(月至数十年);

D 岩石圈活动和地震(数秒至数年);

E 地磁场的中长期变化(数十年到数百年,甚至更长)。

图1 在电离层和中高层大气这个“显示屏”上可以追踪到的日地系统内的多种扰动(空间天气、地球和太阳磁场长期变化、温室气体排放、全球大气电路瞬变、地震活动、大气天气和波动)

国际子午圈计划全球监测网络主要为120°E~60°W主子午圈,可以实现对日地空间扰动主要地理和地磁纬度变化的最佳覆盖。120°E~60°W子午圈跨越东亚、澳大利亚和美洲,靠近地理和地磁两极,对日地空间扰动的地理和地磁纬度变化构建最优监测布局,同时还覆盖环太平洋火山带最东和最西边缘,也是监测地震和火山灾害(扰动D)的不二选择,其广泛的陆地覆盖也非常利于地基设备的部署。同时辅以30°E+150°W子午圈(覆盖世界上闪电最多的区域——中非),可以捕捉陆地-海洋对比引发的经度变化,尤其针对对流层天气和雷暴活动。

国际子午圈计划全球监测网络首先会通过国际合作整合120°E+~60°W子午圈上现有的观测设备或阵列,而后增加新的大型设施级设备(如非相干散射雷达和激光雷达)。当前,我国监测日地空间环境的地基综合监测网,国家重大科技基础设施“子午工程(Chinese Meridian Project,CMP) ”正在进行二期建设,该工程正是按照上述原则规划并建造(如图2),它将成为IMCP全球观测监测网的核心组成部分,并提供先期借鉴经验。

图2 中国子午工程地基监测网(a)和IMCP全球监测网 (b)

同时,中科院-欧空局联合空间科学卫星任务——太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE),预计2024年发射,将使我国在关键的103-104公里尺度,跻身太阳风与地球系统耦合研究领域前列,其观测的磁层顶曲面(驱动源)和国际子午圈观测的电离层曲面(效应区)高度互补,二者结合将实现对太阳爆发引发地球空间环境全球性响应的全过程、全方位、全天候监测。

图3 中国科学-地球科学封面



 

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