子午工程

谢华

子午工程，是我国大型的“地基”空间环境综合监测系统，也可以理解为“空间天气观测站”。只是，它预报的不是风雨温湿这些距地10千米以内的低层大气的变化，而是实时监测太阳活动对距地20～30千米以上空间的影响。这与我们的日常生活关系大吗？我们为什么要关心这个问题？下面，让我们一起回顾历史，看看空間天气对人类科技活动、生产活动以及日常生活的影响吧。

历史上的三个大事件

1. 1859 年卡灵顿事件

1859年9月2日午夜过后，北美洛基山上的露营者被一场罕见的“极光秀”惊醒，红色、绿色的光带交相辉映，照亮了整个苍穹。

事实上，这场堪称“有生之年”系列的大秀从5天前就开始了，而且从北美到南美，从欧洲到亚洲，都在上演。中国的《栾城县志》中曾经记载：（清咸丰）“巳未九年...... 秋八月癸卯夜，赤气起于西北，亘于东北，平明始灭”。记载日期刚好对应1859年9月2日，栾城县位于我国河北省（北纬38°左右），并非极地。

接下来的事情十分“诡异”——欧洲和北美之间的电报系统中断，有发报人员遭到电击，部分电报站断电了但是仍然可以发报。巧合的是，就在一天前（9月1日），英国一位业余天文学家理查德·卡灵顿首次发现了太阳耀斑，并记录了它的变化过程。当时他还不能确定太阳耀斑现象与地球上的极光异常、电磁干扰有关，后来科学家证实了它们的相关性。这次事件后来被称为“卡灵顿事件”。

2. 1989 年魁北克事件

1989年3月13日星期一，加拿大魁北克市，气温只有-8～0℃。凌晨2时45分，市民们还在沉沉的睡梦中。突然，一股巨大的电涌渗透入魁北克水电公司的电网，烧毁了一个主线路上的变压器，90秒之内，电网崩溃，整个城市迅速陷入一片黑暗，600万人从寒冷中醒来。当地政府用了9个多小时才恢复电力，直接经济损失高达几千万美元。

这次事故的始作俑者，也是一场太阳爆发。据观测，3月10日和3月12日分别发生了2次强烈的太阳耀斑。其中，3月10日的耀斑引发的日冕物质抛射，带着大量带电粒子云，以300万千米/ 时的速度冲向地球。两天后，高能粒子流冲破了地球磁层，形成强大的地磁感应电流。正是这股电流烧毁了电网设备，引发了电网的崩溃。

所幸，这次太阳爆发强度不及1859年的卡灵顿事件。但是，20世纪人类生活对电能的依赖远远超过了19世纪，因此，这次太阳爆发造成的后果更为严重。

3. 2003 年“10·28”事件

通过魁北克事件可以看出，从耀斑爆发到日冕物质抛射到达地球，经历了2天时间。这是不是说明，从太阳爆发开始我们还有几十个小时的反应时间？那么，就来看看2003年这次事件的时间线吧：

2003年10月28日6时24分，观测到大型黑子群（日面中下部）;11时12分，观测到黑子群位置上喷发出强大的X 射线耀斑;11时30分，观测到远紫外日冕图像;12时42分，大量高能带电粒子流直扑空间探测器表面，形成雪花状影像，说明此时它的前锋已经进入了地球空间。紧接着，高能粒子和地磁暴使46颗通信卫星出现异常，日本卫星ADEOS-2失效，GPS信号发生中断或变弱，全球短波通信中断，极区航班受到影响，瑞典5万人电力中断。

所幸，这次太阳爆发的强度远不及1859年的卡灵顿事件。否则，极有可能造成全球范围的断电和通信中断，数小时内无法恢复，继而造成卫星器件故障，导航信号错乱，由此引发交通中断、航运失联、银行停业、超市关门...... 那将会是一场难以想象的巨大灾难。

太阳活动的威力

太阳活动对地球的影响，首先表现在超强耀斑爆发的时候，辐射会骤然增强，以光速直接进入地球的电离层和高层大气，干扰无线电信号。随后，带电粒子流到达磁层，冲破地球磁场后，可直接对卫星上的器件、太阳能电池，甚至对宇航员的生命安全带来危害。最后，日冕物质抛射出的高能量的等离子体云会剧烈扰动地磁场，形成地磁暴，生成感应电流，破坏地面的电网和通信设施，当然也会在轰击高层大气时生成绚丽的极光。

这种“低频高危”的“天灾”多久发生一次呢？据专家评估，超级太阳风暴每500年发生一次。我们很难预测下一次什么时候到来，但是我们可以确定，它一定会来。

我们做好准备了吗，我们是否能够准确预测它何时爆发，何时到达，在地球空间的传播效应是怎样的呢？答案是，仍有许多未解之谜。要解决这些科学难题，首先就要有长期的全方位的监测数据——这就是子午工程要做的事。

子午工程建设

子午工程是国家级的重大科技基础设施，由中国科学院国家空间科学中心为项目的法人单位，中国科学院、教育部、中国气象局、工业和信息化部、中国地震局、自然资源部等多部委的十多家单位参加建设。从1993年开始构想，经过预研、一期、二期，至今已经历时28年。项目的总指挥为中国科学院院士、国家空间科学中心研究员王赤。

子午工程一期，于2008年1月启动，总投资1.7亿元，2012年10月验收完工。工程沿着东经120°子午线附近，北至黑龙江漠河，南到海南岛，并延伸到南极中山站，以及沿北纬30°附近，东起上海，西至拉萨，利用15个监测台站共87台/ 套监测设备，构建起一个以链为主、链网结合的大型地基空间环境监测系统。

子午工程二期于2019年7月启动，目前还在建设中。二期将在一期的基础上，新增16个台站、195台/ 套设备，分布在东经1 0 0°和北纬4 0°沿线， 与一期台站（东经120°，北纬30°）形成“井”字形布局。建成以后，监测系统将形成“一链、三网、四聚焦”的体系架构，将在全球首次实现对日地空间环境全圈层、多要素综合的立体式探测，使我国空间环境地基监测与研究能力领跑世界。

系统组成和架构

子午工程由三大系统组成，分别是空间环境监测系统（进行数据采集）、数据通信系统（负责支撑台站与数据中心的数据传输、存储、分发、处理、服务等）和科学应用系统（用于支撑研究、预报、交叉应用等）。

子午工程的科学目标与成果

古有屈原对天发问，今有子午布网探测。

千百年来，人类对于宇宙空间的追寻与求解，从未停止。地基监测是人类了解广袤的地球空间环境，认识其复杂变化规律的重要手段之一。近几十年来，随着人类航天活动对空间环境的依赖日益凸显和多手段探测技术的蓬勃发展，空间环境的地基监测焕发出新的生机。

子午工程正是在此背景下应运而生，是目前世界上覆盖区域最广（高中低纬度）、探测手段最多、监测空间环境物理参数最多、探测综合能力最强的空间环境地基监测网。

一方面，它全方位监测太阳活动在我国上空的响应和传播，为航天航空、交通运输等行业提供环境报告;另一方面，它进一步探究地表、地球大气层、电离层、磁层、行星际和太阳大气之间的相互耦合作用、能量传输过程、演化和扰动规律等。

2010年8月20日，子午链台站第一次观测到我国上空空间环境对太阳风暴的响应，参与观测的有44台设备，包括Overhauser 磁力仪、磁通门经纬仪、磁通门磁力仪、感应式磁力仪、大气电场仪、地电场仪、数字测高仪、宇宙线监测中子堆、闪烁体望远镜、激光雷达、光学干涉仪和全天空气辉成像仪等，给出了地球空间磁层顶和弓激波的位置和形状，确认了同步轨道卫星尚在磁層的保护之下，电离层越极电位降约为180千伏，高纬度地区上空可能存在比较强的电流，但还不足以对地面设备造成显著影响。

2011年9月，天宫一号发射前期，恰值太阳活动高峰年临近，太阳风频繁吹袭地球，磁暴活动、耀斑、日冕物质、太阳质子活动都日益增多。子午工程动用77台设备，进行了为期一个月的连续监测，获取不同纬度的空间环境监测数据，经过计算，确认了发射日当天地磁和宇宙线均不会对发射产生影响，为天宫一号的发射完成了保驾护航。

2021年3月，《自然-物理》杂志上发表了山东大学空间科学研究院刘晶教授团队的科研成果。他们分析多个设备的观测数据发现，耀斑所产生的电离层效应足以影响包括广袤磁层在内的整个地球空间，而不仅局限于先前科学界认为的高层大气区域。耀斑发生时，突然增强的太阳辐射导致电离层电导率迅速增加，增强了“铠甲”磁层抵御太阳风的能力，使太阳风“击穿”磁层进入地球空间变得更加困难，从而减少太阳风和磁层向地球高空大气（10千米到几百千米高度的大气）的能量注入。也就是说，耀斑发生时，地球磁层成为避免地球受太阳风影响的“自我保护”屏障。

子午工程前景展望

在子午工程的基础上，中国科学家又发起了“国际子午圈大科学计划”，联合子午圈（东经120°，西经60°）上的国家和地区，发展多台站交叉的协同监测能力，建立数据共享和人才培养平台，促进整个地球空间系统多圈层耦合研究，提高共同应对空间天气灾害的能力。

作为我国空间科学领域唯一的国家重大科技基础设施，为进一步促进子午工程监测数据的开放共享，不断提升设施的科技创新能力，子午工程数据已于2021年6月在CSCD 核心期刊《中国科学数据》上正式出版。

因为子午工程的建立，中国走在了空间科学探索的前列。