中國科學家醞釀牽頭國際子午圈大科學計劃

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4月3日下午，中國科學院國家空間科學中心四樓會議室里，十多位科學家圍坐成一圈，謀劃著一件大事情。

“今天請各位專家來，就是為了國際子午圈大科學計劃。”中國科學院國家空間科學中心主任王赤說。

王赤的對面，一位頭發(fā)花白的先生認真地翻閱著面前的“國際子午圈大科學計劃建議書”，這個本子就是會議要討論的重點。和其他與會專家不同的是，他的面前還放著一沓已經(jīng)被翻得有點舊的文件——國務院剛印發(fā)不久的《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》。

這位老先生就是國際子午圈概念的提出者、中國科學院院士魏奉思。2002年，他提出中國牽頭做國際空間天氣子午圈計劃的計劃。至今，計劃已醞釀了16年。國務院方案的出臺，讓科學家們預感到，中國牽頭國際子午圈大科學計劃有了新機遇。

“第四環(huán)境”蘊含科學奧秘

太陽系宜居帶的三大行星中，地球是唯一具有磁場的星體。在以億年計的宇宙時間尺度上，磁場對大氣演化起著主導作用，也成為生命起源的一大要素。受地球磁場影響的地球空間系統(tǒng)，被認為是在陸地、海洋、大氣層之外人類生存的“第四環(huán)境”，也是探索自然奧秘的“天然實驗室”。

“如今很多難度較高的基本科學問題，都與第四環(huán)境有關(guān)，比方說，日冕物質(zhì)拋射的傳播、巖石圈與大氣圈的電耦合等。”國際子午圈大科學計劃牽頭負責人之一、中國科學院國家空間科學中心研究員劉維寧說。

第四環(huán)境經(jīng)常發(fā)生地震、火山等傳統(tǒng)自然災害，太陽風暴引起的空間天氣事件等非傳統(tǒng)自然災害，影響著人類航天、通信、導航等高技術(shù)活動和經(jīng)濟社會的穩(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，科學家們看中了地球上的一個圈——東經(jīng)120度、西經(jīng)60度，即“子午圈”。

2012年10月，我國子午工程I期正式建成運行。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個監(jiān)測臺站，建成一個以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型空間環(huán)境地基監(jiān)測系統(tǒng)。

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

與地基監(jiān)測系統(tǒng)一起，我國“張衡一號”、中歐空間科學聯(lián)合衛(wèi)星任務“太陽風—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃”(SMILE)等衛(wèi)星計劃的運行，構(gòu)成了我國天地一體化的地球空間系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡。

國際子午圈計劃本質(zhì)姓“科”

國務院日前印發(fā)的《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》，鼓勵科學家以實現(xiàn)重大科學問題的原創(chuàng)性突破為目標，牽頭組織大科學計劃，推動世界科技創(chuàng)新與進步、應對人類社會面臨的共同挑戰(zhàn)。

“國際子午圈大科學計劃的時機成熟了。這個計劃要關(guān)注‘圈’上不同國家和地區(qū)共同關(guān)心的問題，解決人類共同面臨的問題。”魏奉思說。

記者了解到，國際子午圈大科學計劃將以子午工程為基礎(chǔ)，聯(lián)合子午圈上國家和地區(qū)發(fā)展多臺站、鏈網(wǎng)式、多學科交叉的協(xié)同監(jiān)測能力，建立國際子午圈信息共享和人才培養(yǎng)平臺，促進地球空間系統(tǒng)全球行為及多圈層耦合研究，提高共同應對地球空間傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)災害的能力。

“大科學計劃本質(zhì)姓‘科’，國際子午圈大科學計劃不僅要‘大’，而且要聚焦科學。”中國科學院院士、北京大學教授涂傳詒說。

國際子午圈大科學計劃的大科學問題，是要探索人類賴以生存的大氣和地球空間系統(tǒng)的基本物理規(guī)律，大幅度地提升人類對空間環(huán)境的認知能力，以應對地球空間系統(tǒng)的傳統(tǒng)自然災害和非傳統(tǒng)自然災害。

劉維寧介紹，解決這一大科學問題，需要集聚子午圈上國家的智力資源，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傳播，巖石層-大氣層-電離層耦合機理，全球空間環(huán)境背景模式和空間天氣時變模式等分支科學問題。

全球監(jiān)測體系有待形成

和我國一樣，一些國家也已經(jīng)有針對性地部署地球空間系統(tǒng)監(jiān)測研究的大科學工程或科學計劃。

美國在近20年建立了立體空間環(huán)境監(jiān)測體系，在地基觀測上也部署了南美地磁場子午線監(jiān)測鏈(SAMBA)、中大陸地磁場監(jiān)測鏈(MCMAC)、太陽光學監(jiān)測網(wǎng)絡(ISOON)等。加拿大地球空間監(jiān)測系統(tǒng)(CGSM)形成了對北半球高緯和極區(qū)的空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)。日本的MagDAS計劃是世界上規(guī)模最大、跨度最長、站點最多的地磁監(jiān)測鏈。俄羅斯先后發(fā)射了一系列空間環(huán)境探測衛(wèi)星，獲取太陽、行星際空間、磁層、電離層等日地空間環(huán)境監(jiān)測信息，同時建立了發(fā)達的地基臺站。

“國際地球空間系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡具有區(qū)域性和單一性等局限，尚未形成全球整體的監(jiān)測體系。”劉維寧說。

他表示，國際現(xiàn)有的科學工程雖取得了進展，但還未能針對多圈層、多學科的地球空間科學進行系統(tǒng)研究，且缺乏穩(wěn)定的經(jīng)費支持、組織形式較為松散，沒有形成明確而有效的科學協(xié)同攻關(guān)機制。

在劉維寧看來，子午工程I期，使國際地球空間環(huán)境監(jiān)測和研究中心開始向中國轉(zhuǎn)移，子午工程II期，將完成這個重心的轉(zhuǎn)移。國際子午圈大科學計劃將向國際輻射，凝聚全球智慧，形成子午三部曲的終曲。

劉維寧介紹，為了更好地實現(xiàn)科學目標，凝聚國際智慧，國際子午圈計劃設(shè)計了“四大平臺，一個組織”的組織思路，包括協(xié)同監(jiān)測平臺、科學研究平臺、信息共享平臺、人才培養(yǎng)平臺和國際子午圈計劃組織。

據(jù)悉，國際子午圈計劃目前已經(jīng)與加拿大、美國、俄羅斯、日本、巴西、智利、秘魯?shù)葒�家空間機構(gòu)或科研團隊建立了良好合作關(guān)系。2012年8月美國發(fā)布的《太陽與空間物理十年發(fā)展規(guī)劃》還將國際子午圈計劃列為兩個最重要的國際合作項目之一。(完)