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以重大科学工程带动学科发展,我国积极布局空间科学研究

【关键词:理学】 
10月初,当越来越多的人被有关“神舟”六号的新闻吊起胃口的时候,中国科学院空间科学与应用研究中心主任吴季稍微松了口气,由他的研究中心牵头负责的“子午工程”得到了国家发展和改革委员会的同意批复,预计明年正式启动。

这项耗资两亿元的空间环境监测计划,将带来中国空间科学研究的一个新高潮,中国科学家探索太空的舞台也随之越来越宽广。

10年“长跑”

“子午工程”全称为“东半球空间环境地基综合监测子午链”。1995年,中国科学院、信息产业部、教育部、中国地震局、国家海洋局5家单位联合向国家建议,为了解空间环境灾害性天气变化规律及中国上空环境的区域性特征,更好地保证我国在空间运行的卫星和受电离层影响的各类通信导航设施的安全,开展“子午工程”建设对地球附近的空间环境进行全面系统的监测。经国家科教领导小组讨论,“子午工程”被确定为我国“九五”第二批国家4项重大科学工程之一。

在吴季的办公室,他用手在桌上的地球仪上指示着说:“子午线就是地球的经线,子午工程是要沿东经120度经线,利用在不同纬度已有的一系列观测站, 通过配备各种雷达、激光观测仪以及探空火箭等科学装置,对地面上空20到30公里以上的近地空间范围内的地球磁场变化以及中高层大气和电离层的环境状况进行监测。同时充分发挥东起上海,经武汉、成都,西至拉萨的沿北纬30度台链的作用。”

“‘子午工程’是中国科学家独立提出的一项重大空间环境监测计划”,吴季进一步解释道,沿着这条子午线来观察有很多优势,因为地面所观测到的空间环境沿着纬度有很多不同的现象,沿着纬度来研究空间环境,就可以发现很多新的规律,发现很多新的现象。通过这些现象,再反演到更高的空间,对空间的环境做出判断和预报。他说:“这样布局观测台站,可以利用尽可能少的设备观测到更加全面的近地空间的情况。”

这样一项中国科学家独创的科学计划,从提出到启动经历了10年时间。对此,吴季解释说:“大家对于‘子午工程’的认识在科学上是一致的,但对这样一项有多个部委和研究单位参加的网络型科学工程,在任务管理和运行模式上,反复讨论了多次,期间也出现过一些变化和波折。”

经过大量的协调工作,“子午工程”终得启动,参与单位也由共同建议时的5家增加到7家。最终国家发改委确定由中科院来牵头, 项目指挥部依托在吴季所在的中科院空间中心。他说:“我们有一定的抓航天工程的经验,可以把这些经验应用到地面大科学工程中来。”作为国内唯一一个以空间科学研究为核心目标的研究机构,空间中心承担了中国载人航天工程和多项航天计划的空间天气保障和服务的任务。

工程时间表

经历了10年“长跑”,“子午工程”的科学家们终于站到了起跑线后,“演出”开始了。

据吴季介绍,“子午工程”的第一步,是在中国境内,从北到南,利用在东经120度经线附近的漠河、哈尔滨、北京、新乡、武汉、广州等14个观测站,对近地空间环境展开监测。同时在南极中山站也将建立综合观测站,对这条经线南端的近地空间环境进行监测。这一步工作计划在2009年完成。

台站改造是要立即展开的。吴季介绍说:“现有的台站建成后由于长期得不到更新,设备老化陈旧,有些设备还在使记录纸,没有实现数字化。”今后,要建立数据传输的网络,尽可能实时地把数据传到北京的中心。他预测说:“经过这次改造,我国地基的观测能力会得到很大提高。”

改造完成后的另一个好处就是,数据集中程度高。“原来地磁数据集中在地震部门,电离层数据集中在信息产业部和中科院,还有一些大气观测设备集中在大学。经过子午工程后,这些数据就统一了,大家可以共享数据”,吴季说。现代科学研究越来越需要综合性的数据来分析,空间天气的变化是一个整体性的行为,必须通过整体研究才能做出比较全面的分析判断和预报。

第二步与第一步同时展开,将通过国际合作,与东经120度经线沿线的俄罗斯、澳大利亚等国的观测站合作,初步建成一个完整的东半球的观测体系。这样,地球每自转一周,就可以对地球空间各个方向,包括向阳面和背阳面的空间环境完成一次比较全面的观测。

东经120度的观测链建成后,科学家希望通过推动“国际子午圈计划”, 和西经60度附近的子午链构成环绕地球一周的、完整的空间环境地面综合监测子午圈。

“要想在地面上建台站的话,只有沿东经120度和西经60度可以形成一个圈, 其他地方为大西洋、太平洋、印度洋所占据”,吴季说:“我们已经开始跟国际上的台站联络,子午圈的建成可形成地面连续观测的机制,会对空间卫星的观测形成一个非常好的补充,前景乐观。我们主动来协调,我相信位于西经60度附近的台站会一个个地参加进来。”

空间科学并不“空”

在采访过程中,吴季几次提到空间科学的研究有相当一部分工作已经进入应用,变成一个比较“实”的科学。

“此次‘神六’飞船发射成功,空间环境预报起了很大的作用”,吴季介绍说。在地球外层空间存在着大量的质子、电子等粒子,而且部分区域、某些时刻它们的密度会急剧增加,这些看不见的粒子就好比大海中的暗礁。当航天器、应用卫星运行到这些区域或遭遇到高通量的粒子事件时,很有可能触到这些暗礁,造成损坏。通过空间科学研究,人类可以探测出一定空间内的各种粒子和磁场的时空分布规律,从而为航天器、应用卫星的运行发出预报和警报,大量的危险是可以通过适度的人为控制来规避的。掌握这些规律,也可以帮助人们提高卫星的可靠性,减少卫星故障,延长卫星的设计寿命。此外,空间科学研究还可以大大减轻和防止空间灾害性天气带给通信、电力、导航定位和人类健康的损失。

吴季认为,空间科学除了有重要的应用意义外,还可以促成科学上的重大发现。以中国第一个真正意义上的空间科学探测卫星计划——“双星计划”为例,在这一由空间中心主持的科学计划中,从2003年底、2004年7 月“探测一号”和“探测二号”相继发射并开始工作以来,已经获得超过100G的数据,两颗卫星都已经进入延寿运行阶段。

科学家正在对这些数据进行分析,已经初步发现了一些非常有意思的结果,现已发表70多篇文章,其中有40多篇发表在国际核心刊物上。“每一篇文章都有一些新发现和新论点”,身兼“双星计划”应用系统总设计师的吴季介绍说,“估计更重要的发现还在后面,如何解释有些非常有意思的现象,大家还在争论之中,一旦能从理论上做出新的解释,这些现象发表以后会有更重大的影响。”

吴季认为,空间科学研究对航天技术有非常大的激励和推动。“光做气象卫星、资源卫星,你想不到要到月亮上去,不到月球,测控能力和运载能力就无法实现突破,没有科学需求,就不可能做功能更复杂的卫星”,他说:“‘双星计划’的轨道设计就是我国航天上从来没有的,最远点距地球8万公里,这是我国最远的卫星。没有‘双星计划’的推动,我国的测控能力就不可能延伸到8万公里。”

此外,空间科学探测是国际合作非常重要的窗口。“国防和商用的卫星都可能涉及封锁和商业问题,而科学卫星一般是,我们做了别人就不会做,别人做的我们也不重复,所以在数据上大家可以互通有无,科学探测仪器也可以相互搭载到对方的卫星上去”,吴季说。

“双星计划”就是一个国际合作的典范。它与欧洲空间局最重要的地球空间探测计划——“星簇计划Cluster”的四颗星相互配合, 实现了人类历史上第一次利用同样和相似仪器对地球空间的六点联合探测。这项合作是以中国提出的探测计划开展的、以中国为主的国际合作,在合作规模和层次上迈上了一个新台阶。

未来的路

2005年8月2日,《人民日报》刊登了吴季的署名文章《空间科学大有作为》。在文章中,吴季写道,进入21世纪,我国的空间科学得到了政府的大力支持,空间科学与空间技术和空间应用被并列为我国航天发展的三大支柱之一。空间科学的成就与发展将日益受到世人瞩目。

吴季认为,中国的航天发展政策已经为空间科学的发展提供了广阔的空间,“十一五”期间中国将会加大对空间科学的支持力度。这将主要体现在四个方面:第一是进一步开展深入了解人造卫星运行的空间区域中的空间环境现象,在确保卫星的长寿命和高可靠方面开展探测和研究;第二是加大对了解太阳系深空乃至宇宙空间的奥秘方面的投入,提升我国对人类认识太空,创建新的太空知识方面的贡献度,体现中国人的探索和创造精神;第三是继续开展利用空间微重力环境的空间科学实验和应用,力争在科学和应用方面都获得收获;第四是充分利用开展空间探测、空间科学研究的机会,加大振奋民族精神、提高全民族科学素质的科普宣传和教育。与此同时,我们还应该逐步形成完整的空间科学计划的论证,立项审批,预研、生产和发射以及应用和科普宣传方面的体系。

据吴季介绍,随着地基探测体系“子午工程”紧锣密鼓地进行,天基探测体系也正在布局:“双星计划”继续延寿,进一步发挥作用,希望能到2006年年底;“十五”后期立项的绕月探测工程——“嫦娥工程”;“十一五”期间,中法合作观测太阳的小卫星计划已经批准立项,大概在2010年左右发射,该计划以法国为主,中国参与,共享数据;空间中心与北京大学联合推动的“夸父计划”(空间风暴和极光观测计划),设想在2010年左右发射,以赶上下一个太阳风年。

吴季说:“这些都可与‘子午工程’配合起来,充分发挥天上地下两层数据的作用,前景非常好。”
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