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子午工程，是我国大型的“地基”空间环境监测系统，也可以理解为“空间天气观测站”。只是，它提供的不是风雨温湿气象预报，而是实时监测太阳活动对地球空间的影响。这与我们的日常生活关系大吗？我们为什么要关心这个问题？下面，让我们一起回顾历史，看看空间天气对人类科技活动、生产活动以及日常生活的影响吧。

历史上的三个大事件

01

年卡灵顿事件

年9月2日午夜过后，洛基山上的露营者被一场罕见的“极光秀”惊醒，红色绿色的光带交相辉映，照亮了整个苍穹。

图1极光。

事实上，这场“有生之年”的大秀从五天前就开始了，而且从北美到南美，从欧洲到亚洲，都在上演！中国的《栾城县志》中曾经记载：“清官咸丰九年…秋八月癸卯夜，赤气起于西北，亘于东北，平明始灭”。记载日期刚好对应年9月2日，栾城县位于河北省（北纬38度左右），并非极地...

图2《栾城县志》

接下来的事情十分“诡异”——欧洲和北美之间的电报系统中断，有发报人员遭到电击，部分电报站断电了但是仍然可以发报...

图3理查·卡灵顿描绘的年9月1日的太阳黑子和白光耀斑。

巧合的是，就在一天前（9月1日），英国一位业余天文学家理查·卡灵顿首次发现了太阳耀斑，并记录了它的变化过程。当时他还不能确认耀斑现象与极光异常、电磁干扰有关，后来科学家们证实了它们的相关性。因此，这次事件也被称为“卡灵顿事件”。

02

年魁北克事件

年3月13日星期一，加拿大魁北克市，气温-8°C~0°C。

凌晨2：45，市民们还在沉沉的睡梦中。突然，一股巨大的电涌渗透入魁北克水电公司的电网，烧毁了一个主线路上的变压器，90秒钟之内，电网坍塌，整个城市迅速陷入了一片黑暗！万人从寒冷中醒来，当地政府用了9个多小时才恢复电力，直接经济损失高达几千万美元。

图4魁北克事件中电力受损的区域、变压器以及烧毁的变压器。（RodneyViereck）

这次事故的始作俑者，也是一场太阳爆发。据观测，3月10日和3月12日分别发生了两次强烈的太阳耀斑。其中，3月10日的耀斑引发的日冕物质抛射（CoronalMassEjections简称CME），带着大量的带电粒子云，以每小时万千米的速度冲向地球。两天后，高能粒子流冲破了地球的磁层，形成了强大的地磁感应电流（GIC）。正是这股电流烧毁了电网设备，引发了电网的崩溃。

所幸，这次太阳爆发强度不及年的卡灵顿事件，但是，20世纪人类生活对电能的依赖却远远超过了19世纪，因此它的后果更为严重！

03

年万圣节事件

从魁北克事件来看，从耀斑爆发至CME到达地球经历了2天的时间，是不是说明还有几十个小时的反应时间？我们再来看看年“万圣节事件”的时间线吧。图5万圣节事件的观测照片。左上图：年10月28日6时24分观测到的大型黑子群（日面的中下部）；右上图：11时12分观测到的在黑子群位置上喷发出的强大的X射线耀斑；左下图：11时30分观测到的远紫外日冕图像，明亮的部分就是日冕物质抛射（CME）；右下图：12时42分大量高能带电粒子流直扑空间探测器表面，形成了雪花状的影像，说明此时它的前锋已经进入了地球空间。

天文学家用各种手段记录了万圣节太阳活动事件，从图5的时间序列可以看出这次太阳活动的变化过程。11时12分，最先观测到在黑子群位置上喷发出的强大的X射线耀斑，然后，11时30分观测到远紫外日冕物质抛射；12时42分大量高能带电粒子流直扑空间探测器表面，形成了雪花状的影像，说明此时它的前锋已经进入了地球空间；紧接着，高能粒子和地磁暴令46颗通信卫星报告了异常，日本卫星ADEOS-2失效，GPS信号发生中断或者变弱，全球短波通讯中断，极区航班受到影响，瑞典5万人电力中断...

所幸，这次太阳爆发的强度远不及年的卡灵顿事件，否则极有可能造成全球范围的断电和通信中断，数小时内无法恢复，继而卫星器件故障、导航信号错乱、交通中断、航运失联、银行停业、超市关门...将会是一场难以想象的巨大灾难。

太阳活动的威力

图6描述了太阳活动对地球的影响。首先，超强耀斑爆发的时候，辐射会骤然增强，以光速直接进入电离层和高层大气，干扰无线电信号。随后，带电粒子流到达磁层，冲破地球磁场后，可直接对卫星上的器件、太阳能电池、宇航员的生命安全带来危害。最后，CME抛射出的高能量的等离子体云剧烈地扰动地磁场，形成地磁暴，生成感应电流，破坏地面的电网和通信设施，当然也会轰击高层大气生成绚丽的极光。

图6太阳活动的影响。（原图英文版来源：AlcatelLucent）

这种“低频高危”的“天灾”多久发生一次呢？据专家们评估，超级太阳风暴每年发生一次。我们很难预测下一次什么时间到来，但是我们可以确定，它一定会来！

我们做好准备了吗？我们是否能够准确预测何时爆发？何时到达？在地球空间的传播效应是怎样的呢？答案是，仍有许多未解之谜。要解决这些科学难题，首先就要有长期的全方位的监测数据——这就是子午工程要做的事！

子午工程建设

子午工程，是国家级的重大科技基础设施，由中国科学院国家空间科学中心为项目的法人单位，中国科学院、教育部、中国气象局、工业和信息化部、中国地震局、自然资源部等8个部委的15家单位参加建设，从年开始构想、预研、一期、二期至今已经历时28年，项目的总指挥为空间中心的王赤院士。

图7子午工程一期监测设备布局。

子午工程一期，于年1月启动，总投资1.7亿元，年10月验收完工。工程沿着东经°子午线附近北至黑龙江漠河，南到海南岛，并延伸到南极中山站。在北纬30°附近东起杭州，西至拉萨，利用15个监测台站87台/套监测设备，构建起一个以链为主、链网结合的大型地基空间环境监测系统。

子午工程二期，于年7月启动，目前还在建设中。

图8子午工程二期监测设备布局。

二期将在一期的基础上，新增16个台站，台/套设备，分布在东经°沿线、北纬40°沿线，与一期台站（东经°，北纬30°）形成“井”字型布局。

建成以后，监测系统将形成如下的体系：

◎“一链”——新增先进的太阳-行星际设备，形成对日地空间全链条的监测能力；

◎“三网”——覆盖全国区域的电离层、中高层大气、地磁层的监测网；

◎“四聚焦”——重点监测极区高纬、北方中纬、海南（南方）低纬、青藏高原；

“一链、三网、四聚焦”的架构将在全球首次实现对日地空间环境全圈层、多要素综合的立体式探测，使我国空间环境地基监测与研究能力领跑世界。

系统组成和架构

子午工程由三大系统组成：空间环境监测系统（数据采集）、数据通信系统（支撑台站与数据中心的数据传输、存储、分发、处理、服务等等），以及科学应用系统（支撑研究、预报、交叉应用等等）。

图9子午工程的系统组成和架构。

科学目标和成果

子午工程是目前世界上覆盖区域最广（高中低纬度）、探测手段最多（33类设备，37种参数）、探测综合能力最强的空间环境地基监测网。一方面，它全方位监测太阳活动在我国上空的响应和传播，为航天航空、交通运输等行业提供环境报告。另一方面，它进一步探究地表、地球大气层、电离层、磁层、行星际和太阳大气之间的相互耦合作用，能量传输过程，演化和扰动规律等。

年8月20日，子午链台站第一次观测到我国上空空间环境对太阳风暴的响应，参与观测的有44台设备，包括Overhauser磁力仪、磁通门经纬仪、磁通门磁力仪、感应式磁力仪、大气电场仪、地电场仪、数字测高仪、宇宙线监测中子堆、闪烁体望远镜、激光雷达、光学干涉仪和全天空气辉成像仪等，给出了地球空间磁层顶和弓激波的位置和形状，确认了同步轨道卫星尚在磁层的保护之下，电离层越极电位降约为千伏，高纬度地区上空可能存在比较强的电流，但还不足以对地面设备造成显著影响。

图10X-Y平面(赤道面)内，磁层顶(MP)和弓激波(BS)的位型图。年9月，天宫一号发射前期，恰值太阳活动高峰年临近，太阳风频繁吹袭地球，磁暴活动、耀斑、CME、太阳质子活动都日益增多。子午工程动用77台设备，进行了为期一个月的连续监测，获取不同纬度的空间环境监测数据，经过计算，确认了发射日当天地磁和宇宙线均不会对发射产生影响，为天宫一号的发射完成了保驾护航。

年3月23日，《自然-物理》杂志上发表了山东大学空间科学研究院刘晶教授团队的科研成果，他们分析了多个设备的观测数据发现，耀斑所产生的电离层效应足以影响包括广袤磁层在内整个地球空间，而不仅局限于先前认为的高层大气区域。耀斑发生时，突然增强的太阳辐射导致电离层电导率迅速增加，增强了“铠甲”磁层抵御太阳风的能力，而使太阳风“击穿”磁层进入地球空间变得更加困难，减少太阳风和磁层向地球高空大气的能量注入。也就是说，耀斑发生时，地球磁层成为避免受太阳风影响的一个“自我保护”机制。

展望

在子午工程的基础上，中国科学家又发起了“国际子午圈大科学计划”，联合子午圈（东经°，西经60°）上国家和地区发展多台站交叉的协同监测能力，建立数据共享和人才培养平台，促进整个地球空间系统多圈层耦合研究，提高共同应对空间天气灾害的能力。

因为子午工程的建立，中国走在了空间科学探索的前列。作者：志愿者刘一欣

本文图片来源：网络；NOAASpaceEnvironmentCenter；NASA；NJIT；《子午工程二期宣传片》；空间环境地基综合监测网。

责任编辑张长喜

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