临近空间的太阳风暴响应机制研究取得初步进展

临近空间浮空平台载荷部分负责人合影。空间中心供图

　　地面20公里以上、100公里以下，有一块特殊的区域，有人称其为“临近空间”，也有人称其为“空天过渡区”。这是一个飞机上不去、卫星下不来的地方。在探测平台技术能力的限制下，它成了人类难以长时间停留的科研“盲区”，于是科学家给它取了一个直观的外号——“忽略层”。

　　直到近些年，“忽略层”在科学、军事、经济领域的战略意义和利用价值，才逐渐被各国认识到。

　　最近，中科院国家空间科学中心（以下简称空间中心）研究人员连续发表了两篇临近空间相关研究论文。

　　一篇揭示了第三极临近空间电导特性，发表于《气象学与大气物理学》。期刊评审专家认为，该成果的数据“合理而有效，困难而罕见”。

　　另一篇揭秘了第三极上空的氮氧化物分布特征，发表于《科学通报》。期刊评审专家认为，“该实验工作填补了国内的空白，具有重要的科学意义”。

　　这些被评价为“罕见”和“填补空白”的成果到底有什么用？科研团队为何将目光瞄准临近空间？日前，《中国科学报》记者采访了相关研究人员。

　　“鸿鹄”飞入临近空间

　　在我国，空间中心2010年初成立临近空间环境研究室，专门进行临近空间环境探测技术、应用和应用基础研究。2011年成立了廊坊临近空间环境野外科学观测研究站，基于地基设备对临近空间开展研究。

　　“我们一直在研究太阳风暴对临近空间的影响。”其中一篇论文的通讯作者、空间中心研究员陈涛说。

　　他介绍，一次太阳风暴活动，会对地球产生3次冲击。第一次冲击是在太阳风暴发生8分钟后，极紫外光和X射线会以光速到达地球；第二次冲击是在太阳风暴发生后10分钟左右，太阳高能粒子会到达地球；第三次冲击是在2~3天内，日冕物质抛射会影响地球磁场。

　　但这些冲击会给临近空间造成怎样的影响仍然是个谜。对于想解开谜题的科研人员来说，他们有一个梦想——进入临近空间开展原位数据探测。

　　这个梦想，在2018年有了成为现实的可能。这一年，面向国家重大战略需求，中科院启动战略性先导科技专项——“临近空间科学实验系统”项目，又名鸿鹄专项，计划用浮空平台等方式，载着探测器飞进临近空间进行科学探测。

　　鸿鹄专项科学应用项目课题“临近空间对太阳风暴响应特征观测研究”负责人、空间中心研究员胡雄介绍，在鸿鹄专项中，空间中心承担了一项重要任务——观察和研究临近空间对太阳风暴的响应特征，目标是开展太阳活动谷年临近空间综合环境（大气、电磁和辐射环境等）短期变化特征探测，构建10公里至100公里天气数值预报技术实验系统。

　　2019年和2020年，基于鸿鹄专项，中科院空天信息创新研究院在青藏高原地区，组织了两次临近空间浮空平台飞行探测实验。空间中心组织研制的9台探测设备，跟随“气球”飞入了地球第三极上空的临近空间。最新刊发的两篇科研进展，正是基于这两次飞行积累的数据而完成的。

　　不断积累的数据与经验

　　2020年9月的一天，凌晨2点，一只巨大的白色气球如鸿鹄般飞向天空，被漆黑的夜色映衬得格外耀眼。

　　科研人员都兴奋起来。在气球飞行过程中，他们要时刻监测探测器运行状态，确保探测数据顺利下传回来。

　　陈涛研究的是太阳活动对临近空间大气电导率的影响。“电导率大小代表着电场大小，电场又会影响分子运动的速度，进而影响气候变化。”陈涛说。

　　虽然2019年和2020年的两次飞行都不在太阳风暴活跃期，但科研人员依然充满期待。

　　“我们需要通过这次飞行探测出没有太阳风暴时的本底数据，以便后续与太阳风暴期间的数据进行对比。”另一篇论文的通讯作者、空间中心副研究员王馨悦说，“国际上可能有一些数据，但有些数据不会共享，所以我们拿不到。”

　　看着气球穿过云层继续往上，陈涛有些紧张。“由于担心云层内部的雷电会损坏探测器，国际上很少会在有云的时候放飞浮空器。受飞行窗口期限制，我们只能在这段时间放飞。”陈涛说。

　　正是这些云层，让陈涛团队在按计划收获本底数据的同时有了意外收获。他们发现，在穿过云层的过程中，大气电导率会明显变小，他们通过探测数据分析这可能是云带电及水汽压共同作用的结果。正是这一发现，获得了国际同行的高度评价。

　　在这两次实验中，王馨悦和她的团队也收获满满。他们研究的是太阳活动对临近空间大气成分的影响。“青藏高原是地球‘第三极’，其热力动力作用是全球大气环流机制中的重要影响因素，高海拔和远离人类活动的特点使它成为北半球环境变化的敏感区域，是研究全球气候环境变化和临近空间大气对太阳活动响应原位探测的最佳场所之一。”王馨悦说。

　　临近空间大气稀薄，王馨悦团队专门研制出了一个既不受气压变化影响又能稳定测出氮氧化物含量的分析仪。这两次飞行实验不仅让他们积累了未来研究所需的本底数据，也验证了分析仪的可靠性。如今，这一设备已成为我国自研的首台原位探测临近空间大气氮氧化物的载荷。

　　“对未来，我们有信心”

　　后续陈涛、王馨悦等人还有很多事要做。“现在我们只完成了第一步，接下来还要在太阳活动期间开展探测，更大的成果还在路上。”陈涛说。

　　胡雄介绍，这些年，在鸿鹄专项的支持下，空间中心的科研人员已经在宇宙线辐射与闪电次数的关系、临近空间大气重力波现象、临近空间大气风场和温度与太阳活动的相关性及其内在机制、青藏高原大气电导率特性、大气氮氧化物特性、大气电场特性等方面推进了科学认知。截至2021年，他们已经发表论文49篇。

　　他告诉《中国科学报》，目前空间中心有几十位科研人员正在参加鸿鹄专项的工作，他们需要完成载荷研制、协同观测、科学研究等方面的诸多任务。

　　“针对临近空间浮空平台缺乏环境探测载荷问题，空间中心组织研制了9台套基于临近空间浮空平台的探测载荷，为临近空间浮空平台科学观测实验提供了先进的载荷技术条件。”胡雄介绍，这些技术已经申请国家发明专利15项，获授权的有5项。

　　同时，他们还组织国家“子午工程”、廊坊临近空间环境野外科学观测研究站、气辉观测网以及相关卫星，开展协同观测。“我们收集了协同观测的科学资料集，共计317.17GB，这些都是下一步开展科学研究必需的宝贵第一手数据。”胡雄说。

　　陈涛介绍，2024年计划发射升空的太阳风—磁层相互作用全景成像卫星（SMILE），还将与现有观测设备形成覆盖天基—空基—地基的协同观测网。

　　此外，胡雄介绍，空间中心还开展了太阳活动对临近空间环境影响的数值模拟研究，建立了中子辐射模型，研发了10公里至100公里全球临近空间天气数值预报技术实验系统，为鸿鹄专项的科学实验活动及国家重大任务等提供了临近空间环境预报数据服务。

　　“过去，临近空间领域是个冷门领域，研究人员少、机构也少，但我们一直都在坚持，因为我们知道，这个特殊的领域很重要，我们当时的心态就是‘即便现在没有用，不见得未来也没有用’，很幸运，我们的坚持是对的。”胡雄感慨道。

　　如今，他们坚持下去的动力更足了。“对未来，我们有信心。”陈涛说。

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1007/s00703-022-00870-0

　　https://doi.org/10.1360/TB-2021-1279

来源： 中国科学报 倪思洁