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面向太空的“超級CT”!最大空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)如何建成?
央視網(wǎng)消息:今天(26日)的年終特別報道《2023我們一起走過·國之重器硬核所在》,一起走近中國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程。近日,由16個觀測臺站、58個觀測點(diǎn)組成的子午工程二期初步建成,和此前建成的子午工程一期一起,形成了覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形、目前世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng),可以說是名副其實(shí)的“天網(wǎng)”,而它的任務(wù)就是揭示空間天氣變化的過程和規(guī)律,提升空間天氣的預(yù)報水平。而這其中,對電離層的探測是重要的內(nèi)容之一。
新聞鏈接:什么是“空間天氣”
和地球上的“風(fēng)雨雷電”相比,什么是“空間天氣”呢?這里簡單介紹一下。距離地面30公里的平流層以上的中高層大氣,這里的空間環(huán)境受到太陽活動的影響,會發(fā)生劇烈的變化。這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化,就是“空間天氣”。尤其是地球上空高度約60—1000公里的高層大氣叫做電離層,我們?nèi)粘5耐ㄓ?、廣播、導(dǎo)航、定位都離不開這個區(qū)域。電離層“天生不安分”,存在著大量自由帶電粒子,有時還會突然出現(xiàn)擾動,使地面的無線電通訊受到嚴(yán)重影響。
捕捉監(jiān)測幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”,就好比是要用肉眼去觀察幾百公里外的一盞蠟燭,難度可想而知。今年建成的子午工程標(biāo)志性設(shè)備之一——海南三亞非相干散射雷達(dá)就掌握了這一關(guān)鍵核心技術(shù),這也是目前世界最先進(jìn)的地基電離層探測設(shè)備。
我國建成世界最先進(jìn)地基電離層探測設(shè)備
不久前,這個空間探測的科學(xué)重器正式投入運(yùn)行,開始對電離層進(jìn)行大范圍、多參數(shù)探測和研究。下面就讓我們跟隨記者鏡頭一起來探訪。
總臺央視記者 任梅梅:這里是海南三亞大茅村,在我身后,就是由8000多部天線單元共同組成的非相干散射雷達(dá)陣列,面積有1600平方米,相當(dāng)于四個籃球場的大小,這也是子午工程二期的標(biāo)志性設(shè)備之一,能夠幫助我們捕捉幾百到上千公里外的太空中微小電子的“一舉一動”。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員 樂新安:它的探測(能力)形象地來說,就像在300公里處有一盞蠟燭,要用肉眼去觀察它。雷達(dá)的一個單元就相當(dāng)一個眼睛的像素點(diǎn),當(dāng)像素點(diǎn)越多的時候,分辨率就會越高,精度也會越高。
專家告訴我們,電離層中電子密度不到中性成分的1%,但它們對日地空間的擾動過程非常敏感,比如太陽“打個噴嚏”、地表發(fā)生地震等都會有對應(yīng)的響應(yīng),堪稱空間天氣的“顯示屏”。了解和掌握電離層中電子的狀態(tài)和變化機(jī)制,對于衛(wèi)星導(dǎo)航通訊安全乃至未來地震的預(yù)報預(yù)警都具有重要意義。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員 樂新安:由于電子的散射截面比我們經(jīng)??吹降目臻g目標(biāo)要低了接近20個量級,它的散射信號非常微弱,就需要我們的雷達(dá)具有高功率、大口徑、低噪聲(這樣一個能力)。
8000多個天線單元捕捉微弱散射信號
非相干散射是電磁波照射到電子時產(chǎn)生的一種散射現(xiàn)象,這種信號十分微弱。那么8000多個天線單元組成的龐大陣列如何捕捉微弱的散射信號呢?它的核心裝備就在天線下方。
專家告訴我們,8320個單元在統(tǒng)一的指令下,朝著同一方向向空中輻射電磁波,能量就會集中,威力更大。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程師 張寧:通過8320個組件可以將強(qiáng)大的能量輻射到電離層,電離層會散射微弱的回波信號,我們通過低噪聲放大和波形的編解碼,可以對微弱的散射信號進(jìn)行分析,得到電離層的參數(shù),將電離層中電子和離子的狀態(tài)像顯微鏡一樣放大給科學(xué)家。
高度越高,電離層中電子的密度就越稀薄和難以探測。目前國際電離層探測高度在幾百公里,而三亞非相干散射雷達(dá)作為世界上目前口徑最大、功率最高的相控陣非相干散射雷達(dá),將電離層探測高度提升到了上千公里。不僅如此,它探測精度和靈敏度達(dá)到國際領(lǐng)先水平,能夠捕捉像等離子體這種更加細(xì)微的粒子的變化。投入運(yùn)行以來,三亞非相干散射雷達(dá)首次觀測到高時空分辨率的電離層等離子體空洞剖面結(jié)構(gòu),為開展相關(guān)物理研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
此外,作為高功率雷達(dá),非相干散射雷達(dá)還是其它射電天文設(shè)備的理想信號源。目前已攜手中國“天眼”FAST以及四川稻城圓環(huán)陣太陽成像射電望遠(yuǎn)鏡開展聯(lián)合觀測,并初步取得一批成果。據(jù)了解,下一步,三亞非相干散射雷達(dá)還將拓展月球及小天體的監(jiān)測能力。
子午工程二期初步建成進(jìn)入試運(yùn)行階段
強(qiáng)大的探測裝置是空間物理取得科學(xué)突破的前提。剛剛看到的三亞非相干散射雷達(dá)只是子午工程二期的其中一個設(shè)備,子午工程二期共有16個臺站,58個觀測點(diǎn),目前已經(jīng)初步建成,進(jìn)入到聯(lián)調(diào)試運(yùn)行階段。
總臺央視記者 任梅梅:在位于北京懷柔的中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,我們還看到了陣列式大口徑激光雷達(dá)、行星際閃爍監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡等,它們都是子午工程二期的標(biāo)志性設(shè)備。我們了解到,目前,子午工程二期已建設(shè)完成空間天氣監(jiān)測設(shè)備195臺(套)。
中國科學(xué)院院士子午工程二期總指揮 王赤:子午工程二期,現(xiàn)在我們正處在一個綜合調(diào)試、聯(lián)測聯(lián)試、試運(yùn)行的階段,爭取明年完成國家驗(yàn)收,正式進(jìn)入到運(yùn)行階段。
子午工程是中國空間科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,一期工程2008年開工建設(shè),2012年正式運(yùn)行,沿東經(jīng)120°、北緯30°建成一縱一橫、15個綜合性臺站、87臺套監(jiān)測設(shè)備,在了解我國120°子午鏈近地空間環(huán)境特征、空間天氣擾動傳播和演化等方面取得了系列原創(chuàng)成果。
工程二期2019年開工建設(shè),新增16個臺站、58個觀測點(diǎn)、195臺(套)監(jiān)測設(shè)備,與一期工程協(xié)同,沿東經(jīng)100°、北緯40°形成覆蓋全國的兩縱兩橫“井”字形地基空間環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng),覆蓋范圍更廣、探測高度更高、監(jiān)測能力更強(qiáng)。
中國科學(xué)院院士子午工程二期總指揮 王赤:到了(子午工程)二期之后,我們有一些“硬核”的產(chǎn)品在國際上都處于領(lǐng)先的地位。比如說,稻城的圓環(huán)陣是國際上孔徑最大的一個太陽射電望遠(yuǎn)鏡。再比如說氦激光雷達(dá),形成了6米口徑的對中高層大氣全天候的探測能力,它的探測性能達(dá)到了1000公里,這在國際上所有的設(shè)備當(dāng)中,目前我們了解到的,這是屬于最高水平。
將與一期組成世界最大空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)
據(jù)了解,未來,子午工程一期和二期將組成世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng),為空間天氣預(yù)報精度的提高提供數(shù)據(jù)支撐。
子午工程二期采用“一鏈、三網(wǎng)、四聚焦”的設(shè)計架構(gòu),首次實(shí)現(xiàn)了對我國上空日地空間環(huán)境的全圈層、多要素、立體式探測。
“一鏈”,即太陽-行星際監(jiān)測鏈,形成了對太陽-行星際-地球的全天候監(jiān)測能力;“三網(wǎng)”包括地磁監(jiān)測網(wǎng)、中高層大氣監(jiān)測網(wǎng)和電離層監(jiān)測網(wǎng),開展“全景”監(jiān)測;“四聚焦”指的是針對地球兩極、北方中緯、海南低緯和青藏高原這四個空間天氣擾動、圈層耦合較為特殊和強(qiáng)烈的地區(qū),開展“顯微”探測。
中國科學(xué)院院士子午工程二期總指揮 王赤:子午工程二期增加了對空間天氣的活動源頭——太陽的監(jiān)測,形成了從太陽到地球端對端的空間環(huán)境的監(jiān)測,在國際上是第一次,(也是)唯一的一個空間環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng),做到了整個日地空間端對端的觀測。
據(jù)了解,未來子午工程一期和二期將運(yùn)行多達(dá)44種、近300臺儀器,能夠同時覆蓋色球、日冕、太陽風(fēng)、磁層、電離層、中高層大氣,一直到低層大氣。
中國科學(xué)院院士子午工程二期總指揮 王赤:瞄準(zhǔn)世界科技前沿,我們能夠回答太陽活動如何影響地球的空間環(huán)境,在滿足國家重大需求方面,能為空間天氣預(yù)報精度的提高提供數(shù)據(jù)支撐,能保障航天、通訊、導(dǎo)航等一系列的國家的空間基礎(chǔ)設(shè)施、高技術(shù)的設(shè)施運(yùn)行的安全。
- 原標(biāo)題:大國重器構(gòu)建“空間長城” 彰顯中國“硬核”實(shí)力
- 責(zé)任編輯: 唐曉甫 
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