國際子午圈計劃：四步走構建全球空間環境探測網

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9月14日，雁棲青年論壇——2023年國際子午圈研討會召開，來自全球十余個國家的100多位科學家，圍繞國際子午圈計劃相關問題進行討論。

國際子午圈計劃（IMCP）是我國科學家率先提出并主導的一項國際大科學計劃。該計劃以子午工程為核心，聯合東經120度、西經60度子午圈沿線幾十余個國家和地區的千余臺各類儀器形成全球分布式的地基探測網絡，對地球空間環境進行觀測。

“目前，已經有17個國家和地區加入了國際子午圈計劃。”研討會期間，國際子午圈計劃首席專家組成員、中國科學院國家空間科學中心研究員劉維寧在接受《中國科學報》專訪時說。

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國際子午圈計劃示意圖。中國科學院國家空間科學中心供圖

“把地球空間變成三維信息網格”

《中國科學報》：從整體來看，國際子午圈計劃是如何布局的？

劉維寧：國際子午圈計劃不是憑空出現的，它是子午工程I期和II期的自然延續。我們希望通過四步構建出完整的空間環境探測網絡。

第一步是子午工程I期。2008年，中國科學家開始建設子午工程I期，它在國際上有著獨特的創新性。過去，由于高緯度地區是太陽活動影響較大的區域，空間環境研究一直聚焦高緯度地區。子午工程I期則是在中低緯度部署空間環境探測網絡，關注空間天氣如太陽風等在高緯度地區聚集之后，如何在中低緯度地區傳播并造成影響。因此，子午工程I期可以被視為空間環境全球化研究的起點。

第二步是子午工程II期。2018年，中國科學家啟動了子午工程II期，它挑戰了全球性研究的一個新維度。子午工程II期聚焦的是空間環境的全球變化，聯合了一些很先進的觀測設備，如圓環陣太陽射電成像望遠鏡等，觀測范圍覆蓋從日冕、太陽風，到磁層輻射帶，到中高層大氣電離層，再到低層大氣的全過程，研究鏈條將太陽表面到地球表面串聯起來。這在國際上還沒有先例。

第三步便是國際子午圈計劃。空間天氣是全球性現象，它要求全球視野，也需要全球參與。從2010年開始，來自多個國家的數百位科學家聚集在一起，規劃了國際子午圈大科學計劃。它將全維度覆蓋地球子午圈，并借助地球自轉，每12個小時對地球空間進行一次掃描成像。國際子午圈的最終目標是把地球空間變成三維信息網格。在理想狀態下，我們可以得到各個點上所有的空間環境信息。

國際子午圈計劃還有下一步計劃，即希望研制相應的國際子午圈衛星，讓它穿行在三維信息網格中，掃描成像過程中如果發現哪個地方可能有異常，衛星可以對準關鍵區域采樣，探測空間天氣事件是如何爆發的，耦合作用是怎樣發生的。

“關乎人類的長期生存”

《中國科學報》：我國為什么要牽頭做這項國際大科學計劃？

劉維寧：首先，子午工程I期和子午工程II期給我國奠定了很好的基礎，全世界空間科學領域沒有比這更大的網絡，正如我剛剛所說，它是子午工程的自然延續。

其次，我們不僅有國際合作的基礎，空間科學領域的人才資源也進入了黃金時期。年輕人才隊伍和他們的研究實力開始成熟，他們與國際的聯系和合作很廣泛也很深入，所以，我國在牽頭國際子午圈計劃時，面臨的挑戰不是那么大。

《中國科學報》：您說的第三步——國際子午圈計劃，具體要研究些什么內容？

劉維寧：我們將研究空間天氣的短期激變是否在大氣留下長期“傷痕”，研究這些傷痕能否影響全球變化的進程。

國際子午圈計劃以子午工程為核心，聯合東經120°、西經60°子午圈沿線幾十余個國家和地區的千余臺各類儀器形成全球分布式的地基探測網絡，對地球空間環境進行全緯度、全天候、全要素的觀測。

它的主要研究目標是深入探究地球空間物質和能量在太陽和地球活動雙重驅動下的運動規律，研究空間天氣的全球特征和演變規律，及其與全球變化的相互影響，為應對地球災害和國家空間安全決策提供科學依據。

此外，我個人還希望，國際子午圈除了研究空間天氣的核心問題之外，通過學科交叉，研究太陽活動對地球未來可能造成的“后遺癥”。臺風、火山噴發、海嘯等過程對空間天氣的影響，在變化的地磁場環境下的日地相互作用等。

從更宏觀的角度看，國際子午圈計劃也關乎人類的長期生存。它將有助于我們更好地理解太陽和地球的相互作用，也將為未來我們尋找宜居的類地行星提供依據。

“地球的安全衛士，日夜守望，永不沉睡”

《中國科學報》：您的想法聽上去很科幻，從現實層面看，目前國際子午圈計劃的組織進度如何？

劉維寧：今年年底，子午工程II期即將完工。子午工程I期和II期將運行多達38種、近300臺儀器，能夠同時覆蓋日冕、太陽風、磁層頂與磁層，輻射帶、電離層、中高層大氣，一直到對流層頂。

不過，國際子午圈計劃還在立項過程中，我們建議在兩年內完成建設。目前，巴西、俄羅斯、泰國、美國、加拿大的探測網絡已經建成，不需要建設新儀器就可以實現科學目標，我們要做的就是通過國際合作組織實現全球化運行，形成數據共享機制。

《中國科學報》：目前大概有多少國家和地區參與到國際子午圈計劃中？

劉維寧：已經有17個國家和地區的科學家加入進來，有些是以比較正式的方式加入，有些是以科學家個人方式加入。

比方說，法國、美國、加拿大的科學家，非常積極地參與進來。巴西和中國科學院此前就已經通過中巴空間天氣聯合實驗室合作了近10年，我們和俄羅斯也有20多年的合作。此外，我們和亞太空間組織的合作也比較緊密，就國際子午圈計劃進行了比較深入的討論，泰國是亞太空間組織的核心成員，未來，秘魯、土耳其、伊朗都有可能會成為未來加入國際子午圈計劃的國家。

《中國科學報》：國際子午圈計劃是否有可能受到國際局勢的影響？這次國際子午圈計劃組織國際研討會的初衷是什么？

劉維寧：在國際合作方面，我比較樂觀。2019年，我們召開過一次國際研討會，已經圍繞著國際子午圈計劃形成了科學共識。這次，我們要圍繞基于國際子午圈計劃的空間天氣最新進展和科學挑戰、地基觀測系統的部署和運行、空間天氣建模和數據分析工具、未來發展路線等主題進行討論。

《中國科學報》：在您的夢想中，國際子午圈計劃的未來將會怎樣？

劉維寧：我們向往著這樣一個未來，數千臺國際子午圈計劃的儀器把地球空間變為三維信息網格，數以十計的科學衛星穿行于信息網格。國際子午圈計劃，它就像一個地球的安全衛士，日夜守望，永不沉睡。