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

　　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)家給它取了一個(gè)直觀的外號(hào)——“忽略層”。

　　直到近些年，“忽略層”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，才逐漸被各國(guó)認(rèn)識(shí)到。

　　最近，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱空間中心）研究人員連續(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《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(jiàn)”。

　　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(jiàn)”和“填補(bǔ)空白”的成果到底有什么用？科研團(tuán)隊(duì)為何將目光瞄準(zhǔn)臨近空間？日前，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪了相關(guān)研究人員。

　　“鴻鵠”飛入臨近空間

　　在我國(guó)，空間中心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，基于地基設(shè)備對(duì)臨近空間開(kāi)展研究。

　　“我們一直在研究太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)臨近空間的影響。”其中一篇論文的通訊作者、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3次沖擊。第一次沖擊是在太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生8分鐘后，極紫外光和X射線會(huì)以光速到達(dá)地球；第二次沖擊是在太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生后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2~3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(kāi)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(kāi)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，中科院?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，空間中心承擔(dān)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(kāi)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)，中科院空天信息創(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)。空間中心組織研制的9臺(tái)探測(cè)設(shè)備，跟隨“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月的一天，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格外耀眼。

　　科研人員都興奮起來(lái)。在氣球飛行過(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。”另一篇論文的通訊作者、空間中心副研究員王馨悅說(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。“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。受飛行窗口期限制，我們只能在這段時(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)有了意外收獲。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)明顯變小，他們通過(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，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，王馨悅團(tuán)隊(duì)專門研制出了一個(gè)既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。如今，這一設(shè)備已成為我國(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。

　　“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(kāi)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，他們已經(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，空間中心組織研制了9臺(tái)套基于臨近空間浮空平臺(tái)的探測(cè)載荷，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”、廊坊臨近空間環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)研究站、氣輝觀測(cè)網(wǎng)以及相關(guān)衛(wèi)星，開(kāi)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)317.17GB，這些都是下一步開(kāi)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(kāi)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)。

　　“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)槲覀冎溃@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(jiàn)得未來(lái)也沒(méi)有用’，很幸運(yùn)，我們的堅(jiān)持是對(duì)的。”胡雄感慨道。

　　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)。

　　相關(guān)論文信息：

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

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

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào) 倪思潔