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文 ｜ 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 記者 倪思潔

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

此時(shí)，地球經(jīng)歷著20年未見(jiàn)的超級(jí)地磁暴。全球多地大面積短波通信中斷，天波超視距雷達(dá)探測(cè)能力嚴(yán)重下降，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)中斷。美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克公開(kāi)說(shuō)：“‘星鏈’衛(wèi)星面臨著很大壓力?！?/p>

對(duì)于地磁暴，中國(guó)早有防備。地磁暴發(fā)生的兩天前，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空間中心）空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心就發(fā)出了X級(jí)耀斑和超級(jí)地磁暴的預(yù)警。而他們的自主監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基于一張“觀天巨網(wǎng)”——子午工程。

子午工程利用地基監(jiān)測(cè)日地空間環(huán)境。

子午工程是我國(guó)空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)，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(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備遍布于約960萬(wàn)平方公里的國(guó)土之上，監(jiān)視著從太陽(yáng)到地球1.5億公里間的蛛絲馬跡。

織起這張“觀天巨網(wǎng)”，耗費(fèi)了中國(guó)科學(xué)家30多年的心血，也凝結(jié)了他們矢志創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難、協(xié)同聚力、開(kāi)放共享的“子午精神”。

矢志創(chuàng)新的科學(xué)追求：

“連夢(mèng)都不敢做，那就成不了大事”

今年3月21日，超級(jí)地磁暴事件發(fā)生時(shí)仍處于試運(yùn)行狀態(tài)的子午工程二期，正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，它與子午工程一期組成了世界最大的監(jiān)測(cè)空間環(huán)境的地基網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)科學(xué)家追逐了30多年的子午夢(mèng)，正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)。

子午工程二期總指揮王赤（左4）在子午工程綜合信息與運(yùn)控中心指導(dǎo)工作。

早在上世紀(jì)80年代末至90年代初，太陽(yáng)一度處于周期性活動(dòng)高峰，全球各地事故不斷。1989年3月13日，太陽(yáng)風(fēng)暴造成加拿大魁北克地區(qū)電網(wǎng)停電，損失達(dá)10億美元。兩年后的1991年4月29日，強(qiáng)地磁暴又使美國(guó)緬因州核電廠遭到災(zāi)難性破壞。

當(dāng)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛謀劃發(fā)射衛(wèi)星監(jiān)測(cè)太陽(yáng)時(shí)，1993年，負(fù)責(zé)起草中國(guó)空間物理發(fā)展規(guī)劃的中國(guó)科學(xué)院日球物理數(shù)值開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室主任魏奉思感到，發(fā)展中國(guó)的空間物理學(xué)，首先要把監(jiān)測(cè)空間環(huán)境的能力建設(shè)起來(lái)。

沿著這個(gè)思路，結(jié)合當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)能力，他想到了一條與國(guó)外截然不同的發(fā)展路線——用現(xiàn)有地面觀測(cè)臺(tái)站，在我國(guó)境內(nèi)組建一個(gè)覆蓋東經(jīng)120度、北緯30度的“十”字形地基監(jiān)測(cè)鏈。

魏奉思把這一科學(xué)構(gòu)想稱(chēng)為“東半球空間環(huán)境地面綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”，簡(jiǎn)稱(chēng)“子午工程”。

在我國(guó)尚缺乏成熟空間環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的當(dāng)時(shí)，有人認(rèn)為魏奉思的想法“簡(jiǎn)直是在做夢(mèng)，不可能實(shí)現(xiàn)”。魏奉思卻篤定地說(shuō)：“科學(xué)家應(yīng)該有夢(mèng)想，如果連夢(mèng)都不敢做，那就成不了大事。”

他與志同道合者一起，通過(guò)中國(guó)科學(xué)院向國(guó)家科技委報(bào)送了子午工程項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)層層選拔，1997年，該項(xiàng)目被國(guó)家科技教育領(lǐng)導(dǎo)小組確立為國(guó)家重大科學(xué)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(jié)。思來(lái)想去，他聯(lián)系了遠(yuǎn)在美國(guó)的中國(guó)年輕人王赤：“我們有一個(gè)重要的項(xiàng)目馬上就要國(guó)家立項(xiàng)，我年紀(jì)大了，你愿不愿意回來(lái)？”

從魏奉思的介紹中，王赤意識(shí)到，子午工程的設(shè)計(jì)“在國(guó)際上是獨(dú)一無(wú)二的”。這年12月，王赤歸國(guó)加入中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心（后更名為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心），成為子午夢(mèng)的接力者。

攻堅(jiān)克難的技術(shù)膽識(shí)：

“想在技術(shù)上突破，沒(méi)點(diǎn)膽量不行”

2005年，子午工程一期正式立項(xiàng)。2008年，工程建設(shè)啟動(dòng)并于4年后建成“十”字形觀測(cè)鏈。其中，包括15個(gè)觀測(cè)臺(tái)站、87臺(tái)不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

6年后的2018年，為了滿足全國(guó)范圍覆蓋、全圈層覆蓋、立體式探測(cè)的需求，子午工程二期立項(xiàng)，并于次年開(kāi)工建設(shè)。在一期基礎(chǔ)上，子午工程二期新增16個(gè)臺(tái)站。最終，子午工程覆蓋東經(jīng)100°、120°和北緯40°、30°兩縱兩橫區(qū)域，共有31個(gè)臺(tái)站、282臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

作為子午工程二期總指揮、空間中心主任，王赤介紹：“太陽(yáng)活動(dòng)是地球?yàn)?zāi)害性空間天氣之‘因’，地磁暴等近地空間環(huán)境響應(yīng)是太陽(yáng)風(fēng)暴與地球空間環(huán)境相互作用之‘果’。要研究日地空間天氣因果鏈，就要有更強(qiáng)的探測(cè)設(shè)備?！?/p>

正因如此，從一期到二期，子午工程實(shí)現(xiàn)了“從無(wú)到有”到“從有到強(qiáng)”的轉(zhuǎn)變?！耙黄跁r(shí)，我們的研制能力很弱，大部分設(shè)備是從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)的。到二期時(shí)，我們更希望能夠自力更生，實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)的突破。”王赤回憶。

“自力更生”意味著要能頂住風(fēng)險(xiǎn)和壓力?！跋朐诩夹g(shù)上突破，沒(méi)點(diǎn)膽量不行?！蓖醭嗾f(shuō)。

他們大膽地加入國(guó)際上從未有過(guò)的設(shè)施和技術(shù)。俗稱(chēng)“千眼天珠”的圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡就是其中最具挑戰(zhàn)性的裝置之一。

圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。裝置中，313臺(tái)直徑6米的天線均勻分布在1公里直徑的圓環(huán)上，像向日葵一般跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓環(huán)正中心是一座百米高的定標(biāo)塔。

為了解決復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)突破數(shù)百項(xiàng)影響望遠(yuǎn)鏡功能和性能的關(guān)鍵核心技術(shù)，又克服高寒缺氧、大雪封山的困難，連續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)駐守300多天，使得設(shè)備系統(tǒng)集成工作比計(jì)劃時(shí)間提前50天完成。回憶起這段歷程，“千眼天珠”主任設(shè)計(jì)師、空間中心研究員閻敬業(yè)笑著說(shuō)：“我們?cè)谧罡叩暮０?，干了最燃的事?！?/p>

除了“千眼天珠”外，子午工程二期還有許多“國(guó)際第一”和“世界之最”：陣列式大口徑激光雷達(dá)，是國(guó)際首臺(tái)全季節(jié)陣列式大口徑激光雷達(dá)；三站式非相干散射雷達(dá)，是全球探測(cè)能力最強(qiáng)的相控陣非相干散射雷達(dá)；中緯高頻雷達(dá)，填補(bǔ)了國(guó)際超級(jí)雙極光雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)測(cè)空白；行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡，接收面積比國(guó)際上最大的行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡多6%……

陣列式大口徑激光雷達(dá)。

三站式非相干散射雷達(dá)。

行星際閃爍監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡。空間中心供圖

通過(guò)自主創(chuàng)新，子午工程二期實(shí)現(xiàn)了“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的架構(gòu)，具備了進(jìn)行日地空間全鏈條監(jiān)測(cè)，我國(guó)區(qū)域電離層、中高層大氣、地磁的3層網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)，以及在極區(qū)高緯、北方中緯、南方低緯、青藏高原4個(gè)重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)的能力。

協(xié)同聚力的系統(tǒng)思維：

“形散而神聚，無(wú)往而不勝”

空間中心懷柔園區(qū)的“子午樓”是子午工程綜合信息與運(yùn)控中心的所在地。運(yùn)控中心的大屏幕實(shí)時(shí)滾動(dòng)著來(lái)自全國(guó)各地282臺(tái)設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。屏幕旁邊的墻上，貼著16家子午二期工程參與單位的標(biāo)識(shí)，每個(gè)標(biāo)識(shí)都被印在六邊形上，六邊形連成一片。

王赤自豪地說(shuō)：“別看設(shè)備分布在全國(guó)各地、參與單位很多，我們卻做到了形散而神聚，無(wú)往而不勝?！?/p>

“形散而神聚”5個(gè)字，王赤用了20年才真正摸透。

2005年，子午工程一期立項(xiàng)時(shí)，有12家單位參與。當(dāng)時(shí)，一位同行善意地提醒王赤：“按照我們的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)給不出答案，只能誠(chéng)實(shí)回答：“我們將參照航天工程的管理方式，摸索出一個(gè)辦法?！?/p>

20年間，王赤對(duì)“這么散，怎么管”的問(wèn)題越來(lái)越有底。他發(fā)現(xiàn)，相比設(shè)備本身，數(shù)據(jù)才是子午工程的“神”，“大家聚在一起是為了從各自不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域了解空間天氣的變化規(guī)律，那么，能把大家聚在一起的就是數(shù)據(jù)”。

在業(yè)務(wù)管理上，子午工程采用矩陣化方式，分為空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)3個(gè)分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)下面又有很多子系統(tǒng)?！翱臻g環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是像感官一樣采集數(shù)據(jù)的探測(cè)設(shè)備；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)感受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸；科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)相當(dāng)于大腦，可以分析科學(xué)數(shù)據(jù)?！蓖醭嗾f(shuō)。

單位間的合作，也在業(yè)務(wù)系統(tǒng)下得以實(shí)現(xiàn)。子午工程二期建設(shè)時(shí)，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)集成一期和二期監(jiān)測(cè)設(shè)備的信息。為了確保監(jiān)測(cè)設(shè)備順利接入系統(tǒng)，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)必須在監(jiān)測(cè)設(shè)備建成之前具備集成條件。然而，空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既要建設(shè)設(shè)備，又要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的接口，白天十分繁忙。于是，兩個(gè)系統(tǒng)、來(lái)自各個(gè)單位的100多人，利用晚上的時(shí)間進(jìn)行接口調(diào)試，順利完成了一期和二期的設(shè)備狀態(tài)集成。

王赤時(shí)常感慨，子午工程之所以能成功地協(xié)同聚力，比起管理之術(shù)，“最關(guān)鍵的是因?yàn)榇蠹沂菫楣餐目茖W(xué)目標(biāo)走到一起的，初心使然”。

開(kāi)放共享的全球視野：

“因?yàn)槟銈兊牡絹?lái)，我們得以延續(xù)”

2024年10月，超級(jí)地磁暴事件發(fā)生后不到半年，子午工程科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)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(lián)盟研討會(huì)”上，介紹了子午工程對(duì)2024年5月超級(jí)地磁暴的觀測(cè)結(jié)果。

聽(tīng)完報(bào)告后，泰國(guó)先皇理工大學(xué)教授Pornchai Supnithi找到羅冰顯。抱著試試看的心態(tài)，他問(wèn)：“我們是否可以獲得子午工程的數(shù)據(jù)支持？”

Pornchai是一名空間天氣研究專(zhuān)家，其團(tuán)隊(duì)在泰國(guó)多個(gè)站點(diǎn)建設(shè)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)和測(cè)高儀，在觀測(cè)赤道電離層方面有得天獨(dú)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(dòng)過(guò)程是一個(gè)沿著子午線、從赤道向低緯甚至中緯延伸和擴(kuò)展的過(guò)程。這讓位于南方的泰國(guó)“望北興嘆”。

回國(guó)后，羅冰顯第一時(shí)間與子午工程科學(xué)運(yùn)行團(tuán)隊(duì)進(jìn)行溝通，很快便將整理好的數(shù)據(jù)共享給了Pornchai。

這次合作讓泰國(guó)先皇理工大學(xué)備受鼓舞。了解到空間中心正在推動(dòng)國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃后，他們主動(dòng)申請(qǐng)加入?！澳壳?，我們正在準(zhǔn)備簽署國(guó)際子午圈合作諒解備忘錄?！绷_冰顯說(shuō)。

對(duì)于子午工程里的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，開(kāi)放共享的理念貫穿始終。早在2002年，子午工程一期立項(xiàng)前，魏奉思就提出過(guò)“國(guó)際空間天氣子午圈計(jì)劃”，希望以開(kāi)放的姿態(tài)促進(jìn)世界空間科學(xué)發(fā)展。

2014年，作為國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的先行示范項(xiàng)目，中國(guó)-巴西空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成立。當(dāng)中巴雙方聯(lián)合研制的鈉鉀雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)傳回第一組鈉鉀密度數(shù)據(jù)時(shí)，巴西國(guó)家空間研究院激光項(xiàng)目組高級(jí)工程師Pimenta激動(dòng)地說(shuō)：“因?yàn)槟銈兊牡絹?lái)，我們整個(gè)項(xiàng)目組得以延續(xù)！”

“在完成子午工程一期、二期之后，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃是我們推動(dòng)全球性空間天氣監(jiān)測(cè)研究的第三步。”王赤說(shuō)。

如今，子午工程“井”字形“觀天巨網(wǎng)”正在向全球延展。“目前已有數(shù)百位國(guó)際科學(xué)家參與規(guī)劃，我們得到了來(lái)自巴西、俄羅斯、泰國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)的20多個(gè)研究機(jī)構(gòu)以及國(guó)際組織的積極支持。”王赤說(shuō)。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2025-04-29 第1版 要聞)

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