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【中国科学报】惜陨“卫星”,不落征帆

——记国家自然科学基金创新研究群体项目“电离层变化性及其相关物理过程”

2020-06-29 中国科学报 李晨阳
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万卫星生前在漠河台站检查流星雷达天线。课题组供图

  地球电离层,是地球上空60~1000公里范围内电离化的高层大气。普通人或许很少意识到它的存在,但渗透于我们生活方方面面的信息通讯、卫星导航,乃至雷达探测、飞行器运行等,都与电离层息息相关。

  2013—2019年间,中科院院士、中科院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)研究员万卫星作为负责人,在连续两期国家自然科学基金创新研究群体项目(以下简称创新群体项目)支持下,围绕“电离层变化性及其相关物理过程”开展了深入研究。不幸的是,万卫星院士近日辞世。

  探索“爱发脾气”的电离层

  创新群体项目的主要研究对象——地球电离层,被科学家们戏称为一个“爱发脾气”的家伙——受磁层能量注入、低层大气波动上传和背景热层等综合作用,电离层呈现出复杂多变的特点,有时还会发生剧烈的电离层暴和其他扰动现象。

  要探究地球电离层千变万化背后的秘密,特别是揭示电离层在大时间尺度上的变化,就不得不把目光投向温室气体排放和地球磁场变化这两大影响因素。

  “温室气体和地球磁场如何影响电离层变化?研究这个问题难度很大。”地质地球所研究员刘立波对《中国科学报》说,“第一个‘难’,是需要足够时间跨度的探测资料,但空间物理学起步较晚,积累的数据在时间跨度上相当有限;第二个‘难’,是不仅要准确提取变化趋势,还要分离导致这些变化的因素。”

  幸运的是,地质地球所拥有我国电离层观测历史最为悠久的台站之一 ——武汉空间环境野外科学观测研究站。自1946年建立以来,武汉站积累了70多年的电离层资料,这在全球范围内都实属难得。研究人员花费大量精力,对浩繁的纸板、胶卷等原始记录开展了数字化提取,形成了该领域国际最长电子化数据序列,保证了数据的时间跨度。此外,他们还采用人工神经网络等方法,准确提取出电离层参量的变化趋势,发现武汉电离层高度在70年间下降了7千米。

  为了确认电离层变化的影响因素,也为了将认知拓展到更长的时间尺度和更大的空间尺度,研究人员采用了夏威夷观测的CO2资料、美国DMSP卫星资料,甚至还有从韩国古籍中整理出的2211条极光记录,他们从树木年轮推算太阳辐射信息、从冰芯中推算CO2浓度的历史变迁……终于重构了长达12000年的全球电离层的电子变化情况,为未来的电离层长时间尺度变化研究打下了基础。

  “我们还进一步把视角从地球拓展到其他行星,如火星等,证明了行星磁场对行星大气的保护作用。”刘立波说。

  欲善其事,先利其器

  作为一门实验科学,空间科学的成果突破,在很大程度上依赖于先进的平台和设备。

  地质地球所原本就拥有北起漠河、途经北京和武汉、南到三亚的综合空间环境探测台链。在创新群体项目的资助下,这些台链得到了进一步升级,还建成了覆盖全国的全球导航卫星系统(GNSS)电离层天气监测网络。

  电离层非相干散射雷达探测是代表一个国家实力的尖端技术,国外一直严格封锁技术。面对这种情况,万卫星带领同事们走访国内大型雷达研制单位,多方考察并精细设计,提出了适应我国情况的科学目标和技术方案。2015年,作为国家自然科学基金重大科研仪器研制项目,“三亚非相干散射雷达”获批通过,开始了如火如荼的建设。

  “万老师曾经说过,这个雷达是我国电离层物理领域几代人的梦想。”创新群体项目成员之一、地质地球所研究员乐新安告诉《中国科学报》,“雷达预计今年年底竣工,它能显著提升南海电离层的综合探测能力,助力南海导航通讯应用。”

  “在这些‘重器’的基础上,我们还充分发挥了台链、台网优势,以我国为主进行国际合作,开展了系列国际联合组网探测。”刘立波说。

  创新群体项目一路走来,硕果累累,发展了数字电离层关键技术,拓展了古电离层和行星空间环境等新兴领域……成果获得了2015年度国家自然科学奖二等奖,团队主要成员也收获了何梁何利科技奖、中国青年科技奖、赵九章奖等奖励。

  薪尽火传,征途不息

  “我们的征程是星辰大海”——创新群体项目的科研成员们有时会如此打趣。

  然而,2020年5月20日,年仅62岁的万卫星因病与世长辞。这位中国空间科学和行星物理领域的学术大家、中国首次火星探测项目的首席科学家,遗憾地停下了奔向星辰大海的步伐。

  万卫星的英年早逝,给创新群体项目的每个人留下了深深的哀痛。“卫星”惜陨,征帆不落——而今,这份悲痛正化作更加坚定的力量。

  “你们的工作现在怎么样了?”

  “请放心,一切都在正轨。”

  面对研究所领导的关怀和问询,项目组成员们坚定地回答。

  在创新群体项目执行的过程中,万卫星有意识地重点培养了一批年轻人才。这些项目启动时才30岁出头的青年科研人员,经过几年的历练,大多已成长为我国空间科学领域的中坚力量。在创新群体项目的“80后”成员中,至少已“孵育”出5名研究员、6名副研究员。再加上引进的一批年轻人才,如今已经形成了一支行星空间科学研究的有力队伍。

  2015年归国的乐新安,从第二期开始加入创新群体项目。在万卫星确诊重疾后,他肩负起了建设三亚非相干散射雷达的相关工作。

  “这对我而言是很大的挑战,也是很大的锻炼。”乐新安说,在创新群体项目的支持下,他和同事们不仅开展基础科研攻关,也在雷达建设一线为工程奔波,“在这个过程中,每个人都收获颇丰、成长很多”。

  在乐新安看来,创新群体项目的资助模式,能够确保一支科研团队在数年的时间里,把精力集中在一件事情上。“我最欣赏的是这个项目对科研人员的信任和尊重,这让我们能尽最大努力去做最重要的工作。”

  电离层研究:立足地球,面向群星

  《中国科学报》:创新群体项目结题后,接下来的研究任务还有哪些?

  乐新安:创新群体项目进行了不少观测设备建设,接下来还要充分利用这些观测数据进行相关的科学研究,比如利用GNSS北斗监测网进行电离层天气研究和应用,利用多手段多波段流星观测系统进行电离层不均匀体和流星天文研究;我们之前已经开展了火星空间环境预先研究,接下来会结合我国“天问一号”火星探测器的观测进行特色火星研究,服务我国火星探测项目和深空战略;在数字电离层系统的初步构建基础上,后续将继续结合我国的具体数据,进行应用示范系统构建,满足实际工程需求。

  《中国科学报》:今年年底三亚非相干散射雷达建成以后,会给研究带来哪些新机遇?

  乐新安:三亚雷达建成后,我们将具备自主的可连续运行的非相干雷达观测能力,可以开展东亚地区电离层区域特性研究、低纬电离层—热层—磁层耦合研究、我国南方电离层闪烁与不均匀体监测等工作。

  《中国科学报》:如何评价我国学者近年来在地球电离层领域取得的进展?在国际上处于什么地位?

  乐新安:我国学者在地球电离层的各个细分领域都有广泛深入的研究,包括空地基多手段多参量观测方法和设备发展、多重尺度电离层变化特性及机理、大气层—电离层—磁层耦合、数值模拟与数据同化等。

  整体来讲,我国的电离层研究特色鲜明,成果的数量也是领先的,而整体研究质量还有待提高。

  《中国科学报》:世界范围内,电离层研究领域还有哪些重要问题尚未得到解答?研究难点在哪里?

  乐新安:我个人认为尚未解决的重要问题是很多电离层小尺度结构和过程还不明确,如低纬地区的不均匀体、高纬的极化流等,主要的难点是研究手段欠缺,比如观测没有那么高的时间或者空间分辨率,观测参量覆盖有限,理论模式存在太多的参数化过程,且各种小尺度过程的物理机制并不明确,因此理论模式研究小尺度过程目前能力有限。

  此外,电离层精确现报和短临预报能力还有待提高,主要难点在于观测数量和质量相对低层大气还相差甚远,通过数据同化预报很难满足实际需求。

  《中国科学报》:未来的电离层研究最有可能在哪些领域取得突破?地质地球所是否已经有了相关布局?

  乐新安:最可能取得突破的领域应该是小尺度电离层结构及机理研究。我们目前建设的中国GNSS北斗观测网、流星多手段多波段观测系统、三亚非相干散射雷达都将为该方面的研究提供一手数据;同时正在建设的海南三站式非相干散射雷达和三亚高频雷达,建成后具备电场漂移速度的矢量探测能力和超远程不均匀体的监测能力,将极大提升电离层不均匀体的研究能力。

  还有就是比较行星电离层研究,不同行星系统由于磁场、大气等差异很大,其电离层形态和特性差异较大,通过开展比较行星研究可以更好地进行机制理解,并对过去和未来进行预测。地质地球所已经成立了专门的行星物理研究团队,在地球、火星、金星电离层方面进行了系列研究。

  (原载于《中国科学报》 2020-06-29 第4版 自然科学基金)
打印 责任编辑:侯茜

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