走进中国的空间“气象站”——专访“子午工程”总师王赤

　　人们每天都要看天气预报，并根据它来安排出行。航天活动同样需要天气预报，不过除此之外，还要有“空间天气预报”，即预测空间环境的状况和变化趋势。没有“空间天气预报”，航天器就如同在迷雾中飞行，对周围环境一无所知，十分危险。为航天等高技术人类活动保驾护航的需求直接催生了中国的“子午工程”。
　　“子午工程”是我国投入建设的第一个大型空间环境地基监测网络，监测站遍及全国。它已经为神舟八号、神舟九号和天宫一号等国家重大航天发射任务提供了空间环境预报的基础数据，大大增强了我国自主空间环境保障能力，被誉为中国的空间“气象站”。
　　何谓“空间环境监测”？为什么说“子午工程” 是空间“气象站”？一个如此巨大的工程是怎样从构想变成现实的？我们带着这些疑问采访了“子午工程”总师王赤研究员。
　　重要的“空间天气”
　　什么是天气？你看到的阴、晴、雨、雪，你感受到的干、湿、冷、热，都是常见的天气现象。它是某一地区的大气层在短时间内的具体状态。当然，这里的大气层是指离地表最近的对流层，厚度大约为10千米到20千米。20千米以上，就是高层大气，再往上一直延伸到星际宇宙，这个范围我们称之为“空间”。
　　“空间天气是个比拟的说法，借用了对流层的天气术语。20千米、100千米、1000千米一直到太阳外层，这之间叫日地的空间环境。这个环境要受到太阳活动的影响，比如太阳耀斑和日冕物质抛射事件。这个空间环境中的短时间尺度变化，我们称为空间天气。” 王赤解释说。
　　发生在对流层的刮风下雨我们能直接感知到，然而遥远的“空间天气”我们无从直接感知。但它是否就和我们没有关系了呢？事实并非如此。
　　“空间天气会通过影响我们的高技术系统，从而影响我们的日常生活。”王赤举了两个生动的例子。首先，人造卫星大多离地面约几百公里到上万公里，如果没有大气层和地球磁场的有效保护，一些高能粒子就会击穿卫星表面，扰乱它们的正常工作。美国做过一个统计，大约40% 的卫星故障都来自于空间天气的变化。卫星出现了故障，地面上很多工作都无法展开。
　　其次，例如我们开车时用的GPS 导航，接收的信号要经过电离层（在70千米到1000 千米的高度），如果空间天气变化引起电离层的剧烈扰动，车载导航仪很可能接收不到信号，或者接到的信号受到干扰，导致精度有上百米的误差。
　　因此，对空间环境进行实时监测预报，和气象预报同等重要。
　　“子午”概念
　　天气预报之所以越来越精准，是因为监测大气的网络系统越来越完善。在地面上全球各地都建有气象站，但气象站无法覆盖占地球表面70%左右的海洋，于是人类发射了气象卫星。与气象监测一样，空间环境监测也有两种手段，一种是卫星，一种是地基。“子午工程”就是一项地基探测工程，对于“空间天气”监测来说，它的作用相当于地面的气象站。不同的是，“子午工程”的基站选址有特殊的要求。
　　“气象站探测的大气成分是中性的，与磁力线没有什么关系。但是空间环境中有许多带电粒子，而带电粒子会沿着磁力线运动。所以我们要沿着子午线来建立基站，跟磁力线的方向大致相同。这也是‘子午工程’名称的由来。”王赤说。
　　子午线，即经线。中国国内最长的一段子午线就是东经120°，最北端是漠河，经过北京到武汉、海南等地，“子午工程”即选取东经120°来布设基站。“沿子午线布站，还有一个原因是地球自转，这个自转会对子午链上空的空间有一个扫描。”王赤补充道。
　　“子午工程”可以对地磁变化、中高层大气成分、电离层变化、宇宙射线等不同区域的空间环境进行实时有效地监测。王赤指出，载人航天飞船发射前需要了解空间天气状况，根据空间天气状况等多种因素来选择发射日期。“子午工程”建有预报平台，专门从事空间天气预报的研究。
　　国际上，“空间天气”概念是上世纪90年代才逐渐提出来的，随着人类发射的卫星越来越多，人们对空间基础设施依赖程度也越来越高。要保护这些设施，就必须监测空间环境，进行空间天气预报。我国的“子午工程”构想，从1993年就开始酝酿，是与世界同步的，然而直到2008年才开工建设，到目前为止，我国空间环境的监测卫星数据主要还是来自欧美国家。
　　“我们没有专门的空间环境监测卫星，国外有。”王赤说。“卫星能高瞻远瞩，地基设备能够连续观测，天基与地基观测相互配合，能形成一个天地一体化的空间环境监测体系。我国的地基监测有了‘子午工程’之后才算进入国际空间环境监测方阵里面。”
　　独特的子午“文化链”
　　1998年，从美国麻省理工学院（MIT）博士毕业的王赤，留在MIT 成为导师的助手。王赤的导师是美国NASA 旅行者号等离子体分析的首席科学家，旅行者号飞出太阳系后，导师在《自然》杂志上发表的文章，王赤也是合作者之一。作为一名科学家，王赤没想到，若干年后自己的角色会发生巨大的转变。
　　“回国给我提供了一个更大的舞台。在MIT 是跟着导师后面做，实现的更多是老师的想法。回国我能带领一个团队来做我自己想做的事情。”也许是机缘巧合，他成为了“子午工程”的总工程师。
　　“我现在是一个综合体，以前是纯粹的科学家，现在要将管理者和科学家融为一体。”王赤笑着说。
　　“就好像大学教授要做个杯子，做好之后，教授发现杯子还可以改进。这是研究人员做事的理念，希望尽善尽美。但做工程管理的人不允许这样，设计的时候是什么样就什么样，你不能自主发挥，这就是一种冲突。”
　　作为管理者的他发现，“子午工程”内部也存在着类似的文化碰撞、融合。“子午工程”于2012年完工，建设的基站数量多达38个，遍及全国各地。参与其中的有技术人员、也有科研人员，有很高级别的院士、也有一线的观测人员，这些人的专业不一样，思维方式也不一样，却都在一起工作。王赤就形象地把沿着子午线建造的“子午工程”称为一条多元文化融合的“文化链”。
　　走向世界的“子午圈”
　　中国处在地球的中低纬度，对高纬度的地基监测就需要与其他国家合作了。以“子午工程”为基础，中国率先提出了一个“国际子午圈”的计划：即沿着东经120°，中国的子午监测系统可向北延伸至俄罗斯，向南经过东南亚的有关国家以及澳大利亚等国，和西经60°附近的子午链构成全球第一个环绕地球一周的空间环境监测子午圈。这一举动引起了国际社会的关注。
　　“美国发布了一个太阳和空间物理的十年空间规划，规划中列出了两项国际合作计划，其中有一项就是我们提出的国际子午圈计划。”王赤说。据他介绍，“子午圈”计划第一个合作对象就是巴西。“第一中巴关系比较友好，第二巴西正好在西半球，正好利用这个来研究一些不对称性。另外，我们在海南岛有个野外观测站，巴西也有一个观测站靠近赤道，正好可以进行共同观测。”
　　“子午圈计划”的成功实施，将大幅提升我国在日地关系这一重要基础科学领域的国际地位，也将使中国跻身空间天气领域的先进国家行列。