最近，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱空間中心）連續(xù)發(fā)表了兩篇臨近空間相關(guān)研究論文。
一篇揭示了第三極臨近空間電導(dǎo)特性，發(fā)表于國(guó)際期刊《氣象學(xué)與大氣物理學(xué)》，期刊評(píng)審專家認(rèn)為，該成果的數(shù)據(jù)“合理而有效，困難而罕見”。
另一篇揭秘了第三極上空的氮氧化物分布特征，發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》，期刊評(píng)審專家認(rèn)為，“該實(shí)驗(yàn)工作填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，具有重要的科學(xué)意義”。
這些被評(píng)價(jià)為“罕見”和“填補(bǔ)空白”的成果到底有什么用？他們又為什么將目光瞄準(zhǔn)臨近空間？帶著疑問(wèn)，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪了相關(guān)研究人員。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心“鴻鵠”專項(xiàng)青藏高原實(shí)驗(yàn)隊(duì)合影（空間中心）
不容忽略的“忽略層”
地面20公里以上、100公里以下，有一塊特殊的區(qū)域，有人稱其為“臨近空間”，也有人稱其為“空天過(guò)渡區(qū)”。這里是一個(gè)飛機(jī)上不去、衛(wèi)星下不來(lái)的地方。在探測(cè)平臺(tái)技術(shù)能力的限制下，它成了人類難以長(zhǎng)時(shí)間停留的科研“盲區(qū)”，于是科學(xué)家給它取了個(gè)直觀的外號(hào)——“忽略層”。
直到近些年，“忽略層”1在科學(xué)、軍事、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的戰(zhàn)略意義和利用價(jià)值，才逐漸被各個(gè)國(guó)家認(rèn)識(shí)到。
在我國(guó)，空間中心從2010年初成立臨近空間環(huán)境研究室，專門進(jìn)行臨近空間環(huán)境探測(cè)技術(shù)、應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。，2011年成立了廊坊臨近空間環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)研究站，開展基于地基設(shè)備對(duì)臨近空間的研究。
“我們一直在研究的就是太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)臨近空間的影響。”《中國(guó)青藏高原大氣電導(dǎo)率的測(cè)量》的通訊作者、空間中心研究員陳濤說(shuō)。
他介紹，一次太陽(yáng)風(fēng)暴活動(dòng)，會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生三次沖擊。第一次沖擊是在太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生的8分鐘后，極紫外光和X射線會(huì)以光速到達(dá)地球；第二次沖擊是在10分鐘左右，太陽(yáng)高能粒子會(huì)到達(dá)地球；第三次沖擊是在2至3天內(nèi)，日冕物質(zhì)拋射會(huì)影響地球磁場(chǎng)。
但這些沖擊會(huì)給臨近空間造成怎樣的影響，仍然是個(gè)謎。對(duì)于想解開謎題的科研人員來(lái)說(shuō)，他們有一個(gè)夢(mèng)想——進(jìn)入臨近空間開展原位數(shù)據(jù)探測(cè)。
這個(gè)夢(mèng)想，在2018年有了成為現(xiàn)實(shí)的可能。這一年，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)——“臨近空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”項(xiàng)目，又名“鴻鵠專項(xiàng)”，計(jì)劃用浮空平臺(tái)等方式，載著探測(cè)器飛進(jìn)臨近空間進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。
鴻鵠專項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目課題“臨近空間對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴響應(yīng)特征觀測(cè)研究”負(fù)責(zé)人、空間中心研究員胡雄介紹，在鴻鵠專項(xiàng)中，空間中心擔(dān)下了一項(xiàng)重要任務(wù)——觀察和研究臨近空間對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的響應(yīng)特征，目標(biāo)是開展太陽(yáng)活動(dòng)谷年臨近空間綜合環(huán)境（大氣、電磁和輻射環(huán)境等）短期變化特征探測(cè)，構(gòu)建10公里至100公里天氣數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
2019年和2020年，基于鴻鵠專項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院在青藏高原地區(qū)，組織了兩次臨近空間浮空平臺(tái)飛行探測(cè)實(shí)驗(yàn)?？臻g中心組織研制的9臺(tái)探測(cè)設(shè)備，跟隨著“氣球”飛入了地球第三極上空的臨近空間。最新刊發(fā)的兩篇科研進(jìn)展，正是基于這兩次飛行積累的數(shù)據(jù)而完成的。
不斷積累的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)
2020年9月，凌晨2點(diǎn)，一只巨大的白色氣球如鴻鵠般飛向天空，被漆黑的夜色映襯得耀眼。
科研人員都興奮起來(lái)。在氣球飛行的過(guò)程中，他們要時(shí)刻監(jiān)測(cè)探測(cè)器運(yùn)行狀態(tài)，確保探測(cè)數(shù)據(jù)順利下傳回來(lái)。
陳濤研究的是太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)臨近空間大氣電導(dǎo)率的影響。“電導(dǎo)率大小代表著電場(chǎng)大小，電場(chǎng)又會(huì)影響分子運(yùn)動(dòng)的速度，進(jìn)而影響氣候變化。”陳濤說(shuō)。
雖然2019年和2020年的兩次飛行都不在太陽(yáng)風(fēng)暴活躍期，但科研人員依然充滿期待。
“我們需要通過(guò)這次飛行探測(cè)出沒(méi)有太陽(yáng)風(fēng)暴時(shí)的本底數(shù)據(jù)，以便后續(xù)與太陽(yáng)風(fēng)暴期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。”王馨悅說(shuō)，“國(guó)際上可能有一些數(shù)據(jù)，但有些數(shù)據(jù)不會(huì)共享，所以我們拿不到。”
看著氣球穿過(guò)云層，繼續(xù)往上，陳濤有些緊張。這是國(guó)外科學(xué)家們?cè)谕愶w行實(shí)驗(yàn)中很少經(jīng)歷的。“由于擔(dān)心云層內(nèi)部的雷電會(huì)損壞探測(cè)器，國(guó)際上很少會(huì)在有云的時(shí)候放飛浮空器。我們因?yàn)槭茱w行窗口期限制，只能在這段時(shí)間放飛。”陳濤說(shuō)。
正是這些云層，讓陳濤團(tuán)隊(duì)在按計(jì)劃收獲本底數(shù)據(jù)的同時(shí)，得到了意外收獲。他們發(fā)現(xiàn)，在穿過(guò)云層的過(guò)程中，大氣電導(dǎo)率會(huì)明顯減小，并通過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)分析這可能是云帶電及水汽壓共同作用的結(jié)果。正是這一發(fā)現(xiàn)，獲得了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。
在這兩次實(shí)驗(yàn)中，《臨近空間飛行平臺(tái)青藏高原大氣 NOx 原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)》一文的通訊作者、空間中心副研究員王馨悅和她的團(tuán)隊(duì)也收獲滿滿。
他們研究的是太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)臨近空間大氣成分的影響。“青藏高原是地球‘第三極’，其熱力動(dòng)力作用是全球大氣環(huán)流機(jī)制中的重要影響因素，高海拔和遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的特點(diǎn)使得它成為北半球環(huán)境變化的敏感區(qū)域，是研究全球氣候環(huán)境變化和臨近空間大氣對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)原位探測(cè)的最佳場(chǎng)所之一。”王馨悅說(shuō)。
臨近空間大氣稀薄，王馨悅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專門研制出了一個(gè)能不受氣壓變化影響，又能穩(wěn)定測(cè)出氮氧化物含量的分析儀。
這兩次飛行實(shí)驗(yàn)不僅讓他們積累了未來(lái)研究所需的本底數(shù)據(jù)，也驗(yàn)證了分析儀的可靠性。這一設(shè)備如今已成為我國(guó)自研的首臺(tái)原位探測(cè)臨近空間大氣氮氧化物的載荷。“未來(lái)，相關(guān)技術(shù)有可能會(huì)用在火星表面、金星的浮空器上。”王馨悅說(shuō)。
“對(duì)未來(lái)，我們有信心”
后續(xù)陳濤、王馨悅等人還有很多事要做。“現(xiàn)在我們只完成了第一步，接下來(lái)還要在太陽(yáng)活動(dòng)期間開展探測(cè)，更大的成果還在路上。”陳濤說(shuō)。
胡雄介紹，這些年，在鴻鵠專項(xiàng)的支持下，空間中心的科研人員已經(jīng)在宇宙線輻射與閃電次數(shù)的關(guān)系、臨近空間大氣重力波現(xiàn)象、臨近空間大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度與太陽(yáng)活動(dòng)的相關(guān)性及其內(nèi)在機(jī)制、青藏高原大氣電導(dǎo)率特性、大氣氮氧化物特性、大氣電場(chǎng)特性等方面推進(jìn)了科學(xué)認(rèn)知。截至2021年，已經(jīng)發(fā)表論文49篇。
他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前空間中心有幾十位科研人員正在參加鴻鵠專項(xiàng)的工作，他們需要完成載荷研制、協(xié)同觀測(cè)、科學(xué)研究等方面的諸多任務(wù)。
“針對(duì)臨近空間浮空平臺(tái)缺乏環(huán)境探測(cè)載荷問(wèn)題，空間中心組織成功研制了9臺(tái)套基于臨近空間浮空平臺(tái)的探測(cè)載荷，包括3臺(tái)電磁環(huán)境探測(cè)載荷、2臺(tái)輻射環(huán)境探測(cè)載荷、4臺(tái)大氣環(huán)境探測(cè)載荷，以及1臺(tái)套基于探空氣球的探測(cè)載荷磨式電場(chǎng)儀，為臨近空間浮空平臺(tái)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了先進(jìn)的載荷技術(shù)條件。”胡雄介紹，這些技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng)，獲授權(quán)的有5項(xiàng)。
同時(shí)，他們還組織國(guó)家“子午工程”、中科院廊坊臨近空間環(huán)境野外觀測(cè)站、氣輝觀測(cè)網(wǎng)以及相關(guān)衛(wèi)星，開展協(xié)同觀測(cè)。“我們收集了協(xié)同觀測(cè)的科學(xué)資料集，共計(jì)317.17 GB，這些都是下一步開展科學(xué)研究必需的寶貴第一手?jǐn)?shù)據(jù)。”胡雄說(shuō)。
陳濤介紹，2024年計(jì)劃發(fā)射升空的太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE），還將與現(xiàn)有觀測(cè)設(shè)備形成覆蓋天基-空基-地基的協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)。
此外，胡雄介紹，空間中心還開展了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)臨近空間環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究，建立了中子輻射模型，研發(fā)了10公里至100公里全球臨近空間天氣數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為鴻鵠專項(xiàng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)及國(guó)家重大任務(wù)等提供了臨近空間環(huán)境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)服務(wù)。
看到臨近空間欣欣向榮的局面，胡雄感慨萬(wàn)千：“過(guò)去，臨近空間領(lǐng)域是個(gè)冷門領(lǐng)域，研究人員少，機(jī)構(gòu)也少，但我們一直都在堅(jiān)持，因?yàn)槲覀儍?nèi)心知道，這個(gè)特殊的領(lǐng)域很重要，我們當(dāng)時(shí)的心態(tài)就是‘即便現(xiàn)在沒(méi)有用，不見得未來(lái)也沒(méi)有用’，很幸運(yùn)，我們的堅(jiān)持是對(duì)的。”
如今，他們堅(jiān)持下去的動(dòng)力更足了。“對(duì)未來(lái)，我們有信心。”陳濤說(shuō)。
臨近空間浮空平臺(tái)載荷部分負(fù)責(zé)人合影（空間中心供圖）
相關(guān)論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s00703-022-00870-0
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1279
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