国际子午圈计划，探索空间天气规律（科技大观）

中国子午工程二期预计于今年年底完成建设任务，届时中国将建成世界上规模最大的空间环境地基综合监测网。从2024年开始，在跨越东经120度、西经60度的子午圈上，沿线几十个国家和地区的数千台科学仪器，将协调形成对地球空间环境进行观测的地基探测网络。这项基于中国子午工程拓展的“国际子午圈大科学计划”，将实现对地球空间天气的实时监测和预报，推动人类社会解开更多空间奥秘。

浩瀚星空中，天体在各自轨道上运动，其间既存在稳定和秩序，也面临不期而至的风暴和未解之谜。大气就像地球的皮肤一样，在太阳辐射、太阳风、宇宙射线与地球磁场的相互作用中取得精微平衡。以上任何因素的变化，都可能破坏地球平衡，导致大气能量调节紊乱。特别是来自太阳物质性爆发的空间天气，对人类生活影响较大。有研究表明，来自太阳的高温高速物质可以撞开地球磁场形成的屏障，把大量能量灌注到地球大气，峰值可以超过全球电力装机总量的10%，对卫星运行、导航、通信、电网等造成严重干扰。

为了解空间天气变化规律，更好地监测和保护地球，科学家们进行了不断探索。2008年，中国科学家开启子午工程一期建设。通过监测网络，子午工程一期对能量如何从高纬（地球磁层外部）扩散到低纬（磁层内部）的研究，跨出了全球性空间天气研究的第一步。2018年，子午工程二期启动，旨在将空间天气的观测覆盖到从太阳到地球的全过程。完工后，子午工程一期和二期将运行多达44种、近300台仪器，能够同时覆盖色球、日冕、太阳风、磁层、电离层、中高层大气，一直到低层大气。太阳与地球相联系的“无形纽带”，在子午工程的“千里眼”下可以变得清晰可见：空间天气何时可能袭击卫星和空间站、扰乱电离层及卫星导航通信，能量传播、耦合与爆发又是怎样危及国际航线和电网的……这些研究成果一方面为人类进一步进行空间探索保驾护航，另一方面通过及时预报与防范，可以大大减小太阳和地球灾害性活动对天基和地基技术系统的影响，保障数字化社会的顺利运行。

空间天气是全球性问题，需要全球合力参与。从2010年开始，数百位国际科学家规划了“国际子午圈大科学计划”，来自中国、巴西、俄罗斯、泰国、法国、美国等国的研究机构积极支持和参与。从中国的子午工程起步，国际子午圈把跨越东经120度、西经60度的大子午圈利用起来，计划用数千台地基仪器把地球空间变为物理信息的三维网格，借助地球自转，每12个小时生成一张“核磁共振图像”。科学卫星穿行其间，在关键格点、对关键过程进行详细诊断。同时，数千台不同种类的仪器设备相互定标，把全网络的测量绝对基准维持在一个稳定精准的基线上，不断完善地球环境监测能力指标。例如，地球磁场现在以每百年10%的速率衰减，导致太阳能量粒子和宇宙射线对地球大气的作用大幅增强。这一变化是否影响气候及其他环境因素，需要国际子午圈这样长期、稳定和综合的全球性观测来判别。

“国际子午圈大科学计划”标志着“空间天气+”时代的开始。除了来自太阳的能量爆发，飓风、火山、海洋与大气环流、地震乃至人类活动也对空间天气造成影响。以上多重影响的合力过程使得空间天气比已有认知复杂得多，影响域也大很多。如果把大气比作地球的皮肤，那么“皮肤”与外界的能量平衡将决定地球表面的温度。一方面，地表温度因温室气体排放而缓慢升高；另一方面，空间天气的短期激变对地球的“皮肤”造成反复“灼伤”，留下“疤痕”。它会不会进一步引起质变？会不会影响全球变暖进程？这是空间天气与全球气候变化的一个重要学科交叉，蕴藏着丰富的、有待解决的科学问题，等待全人类合力探索。

（作者为中国科学院国家空间科学中心研究员）