空间天气国家重点实验室:做中国空间天气研究的“排头兵”

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在中国科学院国家空间科学中心,有这么一个实验室。

它是国际上第一个空间天气学实验室,也是我国空间天气领域第一个对外开放的实验室。

它牵头提出并实施我国第一个空间科学探测卫星计划——“双星计划”,开创了我国空间科学卫星探测新纪元。

它牵头提出并建设地基空间天气探测基础设施——子午工程,迈出了我国空间环境综合监测体系建设历史上的第一步。

这个屡屡走在国际国内发展前沿的实验室,就是空间天气学国家重点实验室。

空间天气研究开辟者

上世纪90年代后期,人们认识到,太阳活动的巨大能量和物质抛向地球,会引起空间环境发生灾害性变化,对人类的高技术活动构成越来越严重的威胁。随后,“空间天气”迅速成为国际科技活动的热点和重大前沿领域之一。

在这样的趋势下,1993年,空间中心成立了中国科学院日球物理数值开放研究实验室,并于1994年12月5日批准正式对外开放。

随着中科院知识创新工程的推进,1999年,空间中心经过对空间物理相关分支学科的整合,组建了中国科学院空间天气学开放研究实验室,进入中国科学院知识创新工程试点重点实验室的行列。这一实验室不仅成为国际上第一个空间天气学实验室,也成为我国空间天气领域第一个对外开放的实验室。

“在1999年整合成为院重点实验室之前,整个空间中心在空间物理研究方面,按照物理架构分成了几个实验室,分别对行星际、磁层、电离层、中高层大气等开展研究。”如今的空间天气学国家重点实验室副主任徐寄遥回忆。

1999年的这次整合,对于当时像徐寄遥一样的年轻科研人员来说,是变化,更是机遇。“

最初,由于分成了几个实验室,各个实验室的人虽然都在同一楼层工作,但交流得非常少。”徐寄遥说,整合起来后,交流增加了,实验室的科研方向也逐渐显示出学科交叉的特点。

在这种环境下,实验室的年轻人开始有意识地充实自身在行星际、磁层、电离层方面的知识。

当时的做法,即便是在国际上也不多见。“这是蛮超前的一件事情,实验室整合之后,国际上才逐渐出现交叉融合研究空间天气的潮流。”徐寄遥说。

实验室开拓了空间天气探测和研究的新领域,成为国际上第一个以空间天气命名的研究机构,形成了“探测—建模—研究”的具有国际水准的创新团队,研发的基于物理的空间天气预报模型站在了国际前列。

2001年,中国科学院空间天气学开放研究实验室更名为中国科学院空间天气学重点实验室;2005年,经科技部批准,进一步组建了空间天气学国家重点实验室。实验室是我国空间天气领域具有国际竞争实力、为推动我国空间天气事业发展具有重要领头作用的一个优秀的研究集体。

重大基础设施建设者

2003年和2004年,“双星计划”探测1号和探测2号的发射牵动着全国空间科学研究人员的心,因为它们的成功,将让中国空间科学卫星告别空白。

早在1997年,时任欧洲空间局副局长罗格·博奈就曾带着欧空局科学家们来到空间中心考察。借着这次机会,中国科学家向他们分享了有关“双星计划”的初步设想。“双星计划”全称“地球空间双星探测计划”,其通过研究太阳活动、行星际扰动触发磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程,为空间活动安全以及维护人类生存环境提供科学数据。

听完中国科学家分享,欧空局当场提出参加“双星计划”的意愿。此后,“双星计划”与欧空局“星簇计划”的4颗卫星密切配合,首次形成了人类历史上地球空间的“六点探测”。

2002年10月,“双星计划”通过国务院正式批准立项,由空间天气学国家重点实验室的前身——中国科学院空间天气学重点实验室牵头,实验室成员、中国科学院院士刘振兴任首席科学家。

2005年4月,“双星计划”的第二颗星探测2号正式交付,“双星计划”圆满走完了从立项、研制、在轨测试等一系列流程,正式投入使用。

这一项目成为中国第一个以科学为目标牵引立项的卫星计划,也成为中国第一个与航天先进国家或地区合作的重大国际项目。

继“双星计划”之后,实验室与欧洲等国的科学家团队共同提出了太阳风—磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)计划,实验室主任王赤任SMILE计划的中方首席科学家。该计划于2016年正式立项,拟于2023年发射,其将实现人类历史上首次对影响整个空间天气链条的太阳风—磁层相互作用过程的整体成像,并有望开创深度国际合作的一个新模式和典范。

自成立以来,实验室就以空间灾害性天气及其对人类的影响为主要研究方向,重点开展日地系统的空间天气基本过程及其规律的探测和研究,空间灾害性天气因果链模式和预报方法研究,并发展空间天气探测的新概念、新原理、新方法等。

要实现这一目标,当然不能仅靠以卫星为载体的天基探测设施。为了充实我国空间天气地基探测力量,实验室成员、中国科学院院士魏奉思提出了建设“东半球空间环境地基综合监测子午链”(子午工程)的想法。

此后,子午工程成为我国空间科学领域第一个国家重大科技基础设施项目。这一项目利用沿东半球东经120度子午线附近和北纬30度附近的15个综合性观测台站,连续监测我国上空空间环境要素。

随着子午工程的建设和实施,我国迈出了空间环境综合监测体系建设历史上的第一步。

2012年,子午工程一期完成建设并投入运行,为开展空间天气研究和保障我国重大航天活动提供了自主空间环境要素的数据支撑。在子午工程一期常规监测链的基础上,子午工程二期主要建设由相控阵非相干散射雷达等组成的先进探测系统,形成覆盖全国的“两横两纵”地基监测网。

徐寄遥介绍,二期工程将在今年年底或明年年初开工建设,子午工程二期完成后,我国将形成地基空间环境监测系统的骨干网。

以子午工程为基础,实验室正在牵头推动“国际空间天气子午圈计划”,并得到了相关国际组织和科学家的广泛响应,成为美国《太阳与空间物理十年发展规划》中两个重要的国际合作项目之一。为了更好地推动国际合作,实验室还与巴西共建了中巴空间天气联合实验室,成为国家重点实验室走出国门的又一个里程碑。

科研自主创新践行者

如今,科研人员的队伍正逐渐壮大起来。围绕实验室的主要研究方向,实验室由太阳日冕组、行星际组、磁层组、电离层组、中高层大气组、地基探测组、天基探测组、预报模式组、太阳系探测组9个课题组(创新团组)构成。

实验室拥有固定人员82人,其中中科院院士1名,研究员21名,“千人计划”和“青年千人计划”入选者2人,国家“杰青”3人,“百人计划”入选者4人,并拥有科技部重点领域创新团队、基金委创新研究群体和中科院科技创新交叉与合作团队。

更重要的是,随着天基、地基监测系统源源不断地往实验室里传输着数据,实验室的科研成果和影响力得到了迅速提升。

过去5年,实验室科研人员发表在空间天气学领域最有影响力的专业期刊之一——《地球物理学研究杂志》(JGR)上的文章数,排在国际同类实验室中的第二;实验室持续牵头开展国防科工局、国家自然科学基金委、中科院等有关空间物理与空间天气战略研究,相关战略发展的建议还得到了中央领导的批示。

这一切,对于徐寄遥和许多像他一样、见证过实验室成长的人来说,是莫大的幸福。

上世纪80年代,徐寄遥还是空间中心的一名研究生,那时,他们的科研数据全部是从国外“求”来的。

“那时候,我们需要数据就得写信去美国,美国的科学家收到信之后会寄一大箱磁盘过来,我们把磁盘里的数据导出来,再把磁盘寄回去。”徐寄遥回忆。

后来,到了90年代,磁盘变成了光盘,存储的数据量多了起来。再后来,互联网的普及让数据的传输更为方便。但是,徐寄遥等科研人员的心里还是有一处深深的痛——中国没有自己的数据。

“双星计划”、子午工程的成功为他们带来了好消息。对于他们来说,实验室牵头的这些大项目,不只是带有“国际第一”“国内第一”名号的大工程,更是中国拥有自主研究能力的标志,意味着像他们一样的中国空间天气学科研人员,终于可以从被动“要数据”“等数据”走向主动“采数据”“用数据”。

“现在,依托实验室,我们可以发展自主的探测设备,按照自己的科研意愿研制设备、采集数据,慢慢地我国空间天气研究进入了良性循环的轨道。”徐寄遥说。

如今,实验室的办公用房面积达4000余平方米,拥有百万亿次的集群式和内存共享架构的高性能计算设备、“双星—星簇”计划和子午工程数据中心、海南空间天气国家野外科学观测站、北方观测站(延庆和河北兴隆)、中高层大气光学监测网、空间电磁场扰动测量测试平台、辐射测试定标平台等。这样的科研平台,是一代代科研人员经历了不懈努力后取得的成果,也终将助力空间天气学国家重点实验室带领我国空间天气的科研队伍,迈向更璀璨的未来。

文章来源:《科学新闻》杂志