中國(guó)科學(xué)家醞釀牽頭國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃

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4月3日下午，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心四樓會(huì)議室里，十多位科學(xué)家圍坐成一圈，謀劃著一件大事情。

“今天請(qǐng)各位專(zhuān)家來(lái)，就是為了國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任王赤說(shuō)。

王赤的對(duì)面，一位頭發(fā)花白的先生認(rèn)真地翻閱著面前的“國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃建議書(shū)”，這個(gè)本子就是會(huì)議要討論的重點(diǎn)。和其他與會(huì)專(zhuān)家不同的是，他的面前還放著一沓已經(jīng)被翻得有點(diǎn)舊的文件——國(guó)務(wù)院剛印發(fā)不久的《積極牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程方案》。

這位老先生就是國(guó)際子午圈概念的提出者、中國(guó)科學(xué)院院士魏奉思。2002年，他提出中國(guó)牽頭做國(guó)際空間天氣子午圈計(jì)劃的計(jì)劃。至今，計(jì)劃已醞釀了16年。國(guó)務(wù)院方案的出臺(tái)，讓科學(xué)家們預(yù)感到，中國(guó)牽頭國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃有了新機(jī)遇。

“第四環(huán)境”蘊(yùn)含科學(xué)奧秘

太陽(yáng)系宜居帶的三大行星中，地球是唯一具有磁場(chǎng)的星體。在以億年計(jì)的宇宙時(shí)間尺度上，磁場(chǎng)對(duì)大氣演化起著主導(dǎo)作用，也成為生命起源的一大要素。受地球磁場(chǎng)影響的地球空間系統(tǒng)，被認(rèn)為是在陸地、海洋、大氣層之外人類(lèi)生存的“第四環(huán)境”，也是探索自然奧秘的“天然實(shí)驗(yàn)室”。

“如今很多難度較高的基本科學(xué)問(wèn)題，都與第四環(huán)境有關(guān)，比方說(shuō)，日冕物質(zhì)拋射的傳播、巖石圈與大氣圈的電耦合等。”國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃牽頭負(fù)責(zé)人之一、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員劉維寧說(shuō)。

第四環(huán)境經(jīng)常發(fā)生地震、火山等傳統(tǒng)自然災(zāi)害，太陽(yáng)風(fēng)暴引起的空間天氣事件等非傳統(tǒng)自然災(zāi)害，影響著人類(lèi)航天、通信、導(dǎo)航等高技術(shù)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。

為了探秘第四環(huán)境中各要素的相互作用和影響，科學(xué)家們看中了地球上的一個(gè)圈——東經(jīng)120度、西經(jīng)60度，即“子午圈”。

2012年10月，我國(guó)子午工程I期正式建成運(yùn)行。沿著東經(jīng)120°子午線附近，北起漠河、經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站，沿著北緯30°緯度線附近，東起上海、經(jīng)武漢、成都，西至拉薩，建成15個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，建成一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

劉維寧介紹，今年1月，子午工程II期也已正式立項(xiàng)，有望年底開(kāi)工建設(shè)，并在2022年正式建成運(yùn)行。

與地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一起，我國(guó)“張衡一號(hào)”、中歐空間科學(xué)聯(lián)合衛(wèi)星任務(wù)“太陽(yáng)風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃”(SMILE)等衛(wèi)星計(jì)劃的運(yùn)行，構(gòu)成了我國(guó)天地一體化的地球空間系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

國(guó)際子午圈計(jì)劃本質(zhì)姓“科”

國(guó)務(wù)院日前印發(fā)的《積極牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程方案》，鼓勵(lì)科學(xué)家以實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)問(wèn)題的原創(chuàng)性突破為目標(biāo)，牽頭組織大科學(xué)計(jì)劃，推動(dòng)世界科技創(chuàng)新與進(jìn)步、應(yīng)對(duì)人類(lèi)社會(huì)面臨的共同挑戰(zhàn)。

“國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的時(shí)機(jī)成熟了。這個(gè)計(jì)劃要關(guān)注‘圈’上不同國(guó)家和地區(qū)共同關(guān)心的問(wèn)題，解決人類(lèi)共同面臨的問(wèn)題。”魏奉思說(shuō)。

記者了解到，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將以子午工程為基礎(chǔ)，聯(lián)合子午圈上國(guó)家和地區(qū)發(fā)展多臺(tái)站、鏈網(wǎng)式、多學(xué)科交叉的協(xié)同監(jiān)測(cè)能力，建立國(guó)際子午圈信息共享和人才培養(yǎng)平臺(tái)，促進(jìn)地球空間系統(tǒng)全球行為及多圈層耦合研究，提高共同應(yīng)對(duì)地球空間傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)災(zāi)害的能力。

“大科學(xué)計(jì)劃本質(zhì)姓‘科’，國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃不僅要‘大’，而且要聚焦科學(xué)。”中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授涂傳詒說(shuō)。

國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃的大科學(xué)問(wèn)題，是要探索人類(lèi)賴以生存的大氣和地球空間系統(tǒng)的基本物理規(guī)律，大幅度地提升人類(lèi)對(duì)空間環(huán)境的認(rèn)知能力，以應(yīng)對(duì)地球空間系統(tǒng)的傳統(tǒng)自然災(zāi)害和非傳統(tǒng)自然災(zāi)害。

劉維寧介紹，解決這一大科學(xué)問(wèn)題，需要集聚子午圈上國(guó)家的智力資源，研究空間天氣區(qū)域性特征與全球行為，以及空間天氣事件子午圈擾動(dòng)傳播，巖石層-大氣層-電離層耦合機(jī)理，全球空間環(huán)境背景模式和空間天氣時(shí)變模式等分支科學(xué)問(wèn)題。

全球監(jiān)測(cè)體系有待形成

和我國(guó)一樣，一些國(guó)家也已經(jīng)有針對(duì)性地部署地球空間系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究的大科學(xué)工程或科學(xué)計(jì)劃。

美國(guó)在近20年建立了立體空間環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，在地基觀測(cè)上也部署了南美地磁場(chǎng)子午線監(jiān)測(cè)鏈(SAMBA)、中大陸地磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)鏈(MCMAC)、太陽(yáng)光學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(ISOON)等。加拿大地球空間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CGSM)形成了對(duì)北半球高緯和極區(qū)的空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)。日本的MagDAS計(jì)劃是世界上規(guī)模最大、跨度最長(zhǎng)、站點(diǎn)最多的地磁監(jiān)測(cè)鏈。俄羅斯先后發(fā)射了一系列空間環(huán)境探測(cè)衛(wèi)星，獲取太陽(yáng)、行星際空間、磁層、電離層等日地空間環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，同時(shí)建立了發(fā)達(dá)的地基臺(tái)站。

“國(guó)際地球空間系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有區(qū)域性和單一性等局限，尚未形成全球整體的監(jiān)測(cè)體系。”劉維寧說(shuō)。

他表示，國(guó)際現(xiàn)有的科學(xué)工程雖取得了進(jìn)展，但還未能針對(duì)多圈層、多學(xué)科的地球空間科學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，且缺乏穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持、組織形式較為松散，沒(méi)有形成明確而有效的科學(xué)協(xié)同攻關(guān)機(jī)制。

在劉維寧看來(lái)，子午工程I期，使國(guó)際地球空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究中心開(kāi)始向中國(guó)轉(zhuǎn)移，子午工程II期，將完成這個(gè)重心的轉(zhuǎn)移。國(guó)際子午圈大科學(xué)計(jì)劃將向國(guó)際輻射，凝聚全球智慧，形成子午三部曲的終曲。

劉維寧介紹，為了更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，凝聚國(guó)際智慧，國(guó)際子午圈計(jì)劃設(shè)計(jì)了“四大平臺(tái)，一個(gè)組織”的組織思路，包括協(xié)同監(jiān)測(cè)平臺(tái)、科學(xué)研究平臺(tái)、信息共享平臺(tái)、人才培養(yǎng)平臺(tái)和國(guó)際子午圈計(jì)劃組織。

據(jù)悉，國(guó)際子午圈計(jì)劃目前已經(jīng)與加拿大、美國(guó)、俄羅斯、日本、巴西、智利、秘魯?shù)葒?guó)家空間機(jī)構(gòu)或科研團(tuán)隊(duì)建立了良好合作關(guān)系。2012年8月美國(guó)發(fā)布的《太陽(yáng)與空間物理十年發(fā)展規(guī)劃》還將國(guó)際子午圈計(jì)劃列為兩個(gè)最重要的國(guó)際合作項(xiàng)目之一。(完)