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给太空做“超级CT” 揭秘世界级空间天气“预报站”

发布时间:2023/12/27 10:00:27编辑:Ma Liang
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今天一起了解中国空间科学领域首个国家重大科技基础设施——子午工程。近日,由16个观测台站、58个观测点组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,形成了覆盖全国的两纵两横“井”字形、目前世界上规模最大的空间环境地基综合监测网,可以说是名副其实的“天网”,它的任务就是揭示空间天气变化的过程和规律,提升空间天气的预报水平。其中对电离层的探测是重要内容之一。

新闻链接:什么是“空间天气”?

那么和地球上的“风雨雷电”相比,什么是“空间天气”呢?这里简单介绍一下,距离地面30公里的平流层以上的中高层大气,这里的空间环境受到太阳活动的影响,会发生剧烈的变化。这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,就是“空间天气”。
尤其是地球上空高度约60~1000公里的高层大气叫做电离层,我们日常的通信、广播、导航、定位都离不开这个区域。电离层“天生不安分”,存在着大量自由带电粒子,有时还会突然出现扰动,使地面的无线电通信受到严重影响。捕捉监测几百到上千公里外的太空中微小电子的“一举一动”,就好比是要用肉眼去观察几百公里外的一根蜡烛,难度可想而知。今年建成的子午工程标志性设备之一——海南三亚非相干散射雷达就掌握了这一关键核心技术,这也是目前世界最先进的地基电离层探测设备。

我国建成世界最先进地基电离层探测设备

总台央视记者 任梅梅:现在我们就来到了整个雷达阵列的底部,在这里我们看到每一个天线单元下面连接了一个个的组件。这些组件正是雷达阵列的核心部件,能够发射和接收信号。
专家告诉我们,8320个单元在统一的指令下,朝着同一方向向空中辐射电磁波,能量就会集中,威力更大。
 
中国科学院地质与地球物理研究所工程师 张宁:通过8320个组件可以将强大的能量辐射到电离层,然后电离层会散射微弱的回波信号。然后我们通过低噪声放大和波形的编解码,可以对微弱的散射信号进行分析,得到电离层的参数,将电离层中电子和离子的状态,像显微镜一样放大给科学家。

高度越高,电离层中电子的密度就越稀薄和难以探测。目前国际电离层探测高度在几百公里。而三亚非相干散射雷达作为世界上目前口径最大、功率最高的相控阵非相干散射雷达,将电离层探测高度提升到了上千公里。



不仅如此,它探测精度和灵敏度达到国际领先水平,能够捕捉像等离子体这种更加细微的粒子的变化。投入运行以来,三亚非相干散射雷达首次观测到高时空分辨率的电离层等离子体空洞剖面结构,为开展相关物理研究奠定了坚实的基础。
 
中国科学院地质与地球物理研究所研究员 乐新安:三亚主站,我们有发射接收功能。在海南岛西北的儋州和东北的文昌还有两个接收站,形成了“一发三收”的非相干散射雷达系统。可以简单理解为就是一台面向太空的“超级CT”,就能相当于同时得到三个CT切面,更好地对整个空间环境的立体状态进行监测。三亚非相干散射雷达是我们国家地基空间环境探测技术的一个重大突破,填补了我们国内在地基电离层探测上大装置的一个空白。

此外,作为高功率雷达,三亚非相干散射雷达还是其他射电天文设备的理想信号源。目前已携手中国“天眼”FAST以及四川稻城圆环阵太阳成像射电望远镜开展联合观测,并初步取得一批成果。据了解,下一步三亚非相干散射雷达还将拓展月球及小天体的监测能力。

子午工程二期初步建成 进入联调试运行

总台央视记者 任梅梅:在位于北京怀柔的中国科学院国家空间科学中心,我们还看到了阵列式大口径激光雷达、行星际闪烁监测望远镜等,它们都是子午工程二期的标志性设备。我们了解到目前子午工程二期已建设完成空间天气监测设备195台套。
 
中国科学院院士、子午工程二期总指挥 王赤:子午工程二期,现在我们正处在一个综合调试、联测联试、试运行的一个阶段。我们争取明年完成国家验收,正式进入运行阶段。

子午工程是中国空间科学领域首个国家重大科技基础设施,一期工程2008年开工建设,2012年正式运行,沿东经120°、北纬30°,建成一纵一横、15个综合性台站、87台套监测设备。在了解我国120°子午链近地空间环境特征、空间天气扰动传播和演化等方面取得了系列原创成果。
工程二期2019年开工建设,新增16个台站、58个观测点、195台套监测设备,与一期工程协同,沿东经100°、北纬40°形成覆盖全国的两纵两横“井”字形地基空间环境综合监测网,覆盖范围更广、探测高度更高、监测能力更强。
 
中国科学院院士、子午工程二期总指挥 王赤:到了子午工程二期之后,我们有一些“硬核”的产品在国际上都处于领先的地位。比如说在稻城的圆环阵,是国际上孔径最大的一个太阳射电望远镜。再比如说氦激光雷达,形成了6米口径对中高层大气全天候的探测能力。它的探测性能达到了1000公里,这在国际上所有的设备当中,目前我们了解到的,这是属于最高水平。

将与一期组成世界最大空间环境地基监测网

子午工程二期采用“一链、三网、四聚焦”的设计架构,首次实现了对我国上空日地空间环境的全圈层、多要素、立体式探测。

“一链”,即太阳-行星际监测链,形成了对太阳-行星际-地球的全天候监测能力;“三网”包括地磁监测网、中高层大气监测网和电离层监测网,开展“全景”监测;“四聚焦”指的是针对地球两极、北方中纬、海南低纬和青藏高原这四个空间天气扰动、圈层耦合较为特殊和强烈的地区,开展“显微”探测。
 
中国科学院院士、子午工程二期总指挥 王赤:子午工程二期增加了对空间天气的活动源头——太阳的监测,形成了从太阳到地球、端对端的空间环境的监测,这在国际上是第一次,也是唯一的一个空间环境的监测系统,做到了整个日地空间端对端的观测。

据了解,未来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。
 
中国科学院院士、子午工程二期总指挥 王赤:瞄准世界科技前沿,我们能够回答太阳活动如何影响地球的空间环境。在满足国家重大需求方面,能为空间天气预报精度的提高提供数据支撑,能保障航天、通信、导航等一系列的国家的空间基础设施、高技术设施运行的安全。 

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(来源: 科技日报 )

标签:地基电离层探测设备,显微镜,雷达

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