圖為位于四川稻城的圓環陣太陽射電成像望遠鏡設備。中國科學院國家空間科學中心供圖
　　習近平總書記在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上的重要講話中強調：“空間技術深刻改變了人類對宇宙的認知，為人類社會進步提供了重要動力，同時浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索，必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展?！睘榱吮Ｕ衔覈臻g技術系統安全，國家重大科技基礎設施之一子午工程立項建設。2012年，子午工程一期投入運行。2022年底，子午工程二期的重大設備——圓環陣太陽射電成像望遠鏡完成系統集成。預計2023年底，子午工程二期將全面建成，屆時可為我國自主監測空間天氣提供更多有效手段，助力國家科技、經濟、民生等重點領域發展。
　　面對浩瀚空天，我們的先人認為那里除了點點星光，可能空無一物，因此稱之為“太空”。后來，人們逐漸認識到太空其實并不空，而是充滿了等離子體、宇宙射線、電磁場等物質，存在各種復雜的物理現象。隨著1957年世界上第一顆人造衛星發射成功，人類開始進入并利用太空，太空與人類生產生活的關系越發緊密。就像人們需要根據天氣預報安排生產生活一樣，為了規避太空災害、更好地探索和利用太空，人們也迫切需要“太空天氣預報”，及時監測太空環境并準確預測其變化規律。
　　發生在人類生存發展的“第四環境”，空間天氣深刻影響人類的地面和太空活動
　　風、霜、雨、雪，是發生在地表低層大氣（對流層）中的天氣現象。對流層厚度不超過20千米，相比整個日地空間乃至宇宙空間的尺度，可謂薄如蟬翼。對流層以外是否也會發生各種天氣現象？答案是肯定的。人們很早就發現太陽并非一成不變，而是源源不斷地往外噴發物質和能量，時而平緩、時而猛烈。黑子、耀斑、日冕物質拋射等太陽活動此起彼伏，所引發的太陽風暴不斷攪動著日地/太陽系空間和行星周圍的環境，在太空中產生各種各樣短時間尺度的變化，稱之空間天氣。太陽打個噴嚏，包括地球在內的各大行星就得“感冒”。強烈的太陽活動可引起災害性空間天氣。一般而言，劇烈的太陽活動會給地球空間帶來“三輪打擊”：大幅增強的X射線、紫外射線將以光速轟擊地球，8分多鐘后即可導致大氣電離率增強，引發電離層的劇烈擾動；太陽高能粒子將在幾小時之后到達地球附近，極大影響在地球周圍運行的航天器安全；上百億噸的等離子體從太陽表面以每秒上千公里的速度拋出，形成的日冕物質拋射事件將在幾天內到達地球，引起近地空間各種環境要素的劇烈擾動。
　　這種與人類日常生活所處環境大相徑庭的空間環境，也被稱為繼大陸、海洋和大氣環境之外的“第四環境”。隨著科學技術進步和人類活動范圍擴大，空間環境對人類生存發展的影響越發深遠?，F在，人類已經將上萬個航天器送入太空。研究表明，大約有20%—25%的航天器故障與空間天氣有關。航天員在太空中的活動更是會受到各類輻射的威脅。除了太空活動，人類在地面上的生產生活也會受到空間天氣影響。高鐵、電網、輸油管線等高技術系統可能因地磁感應電流而損毀。電離層擾動會影響無線電通信信號的穩定性和可使用的頻帶范圍，影響衛星導航的精度，甚至導致通信和導航設施失效。如今，自動駕駛技術蓬勃發展，但其安全性高度依賴于衛星導航定位的精度，災害性空間天氣可能導致衛星導航定位的誤差變大進而引發交通事故。
　　沿南北方向布局設備，子午工程一期對近地空間環境進行全方位掃描
　　空間環境探測主要有天基探測和地基探測兩大方式，前者主要借助衛星等航天器，后者主要借助地面設備，各有優長?？紤]到地基探測具有連續、穩定、可靠、易維護、成本低等諸多優點，子午工程就采用了這種探測方式。作為大型空間環境地基監測系統，子午工程一期綜合運用地磁（電）、無線電、光學和探空火箭等多種手段，連續監測地球表面二三十千米到幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環境中的地磁場、電場、風場、密度、溫度和成分等參數，在空間天氣研究和預報等方面發揮重要作用。
　　“子午工程”這個有趣的名字，背后蘊含科學道理。子午者，南北也。子午工程一期的大部分觀測設備分布于東經120度子午線附近，即南北分布。這樣布局有其物理考慮。由于帶電粒子被磁力線所約束，更容易沿著磁力線的方向自由移動，就像穿在繩子上的珠子一樣。而地球周圍的磁力線基本呈南北走向，因此空間天氣擾動沿南北方向傳播演化的特征更為明顯。就像古代人們利用長城烽火臺傳遞情報信息，沿南北方向布局設備進行探測，有利于捕獲擾動的傳播和演化過程。隨著地球的自轉，子午工程沿南北方向分布的“臺站鏈”還可實現對近地空間環境的全方位掃描。
　　空間環境十分復雜，需要探測的物理參數很多。不同區域的空間環境特征不同，探測設備也多種多樣。子午工程一期共建設15個觀測臺站、87臺觀測設備。它們有的龐大，有的小巧，各司其職。依據工作原理和探測對象的不同，大致可分為地磁（電）設備、光學設備和無線電設備三大類。地磁（電）設備探測的空間范圍局限于設備所在的位置，衡量它們工作能力的主要指標是探測精度。地球表面的磁場約為30000nT，子午工程磁場探測的精度能夠達到0.1nT，對于空間天氣研究來說綽綽有余。光學設備利用大氣本身發光或者對光的散射進行探測。激光雷達主動向大氣發射激光束，利用望遠鏡接收不同高度的散射光，再通過散射光強度便可計算大氣的密度、溫度等參數。光學干涉儀、氣輝成像儀并不發射任何信號，而是利用大氣自身的發光現象探測大氣的溫度、風速等參數。無線電設備的主要探測對象是大氣中的電離部分，分為主動和被動兩類。主動無線電設備有發射裝置，體積和功率往往比較大，如建設于云南曲靖的非相干散射雷達，其天線直徑就有幾十米，發射功率可達2兆瓦。
　　二期建成后，子午工程將實現從地面對日地空間的三維立體式探測
　　為實現對我國領土的覆蓋，以及對中、小尺度空間天氣物理過程的探測，子午工程二期應運而生?？茖W家們建議，除了一期工程位于東經120度和北緯30度附近的觀測鏈，再在東經100度和北緯40度附近增加兩條觀測鏈，形成一個“井”字形網絡，這便是子午工程二期的構想。
　　子午工程二期增加了對太陽活動和行星際擾動的監測，超越了地球空間，這也是區別于一期工程限于近地空間的重要方面?？臻g天氣的源頭是太陽活動，從太陽表面開始追蹤擾動的發生和傳播過程非常重要。從太陽表面往外，電磁輻射的頻率逐漸降低。子午工程二期采用多種設備以逐次接力、環環相扣的方式追蹤擾動傳播的過程，構成日地傳播監測鏈（“一鏈”）?！熬弊中尾季值脑O備，就像網一樣監測我國上空的地磁、中高層大氣和電離層環境變化（“三網”）。子午工程二期還在擾動傳播和發展的關鍵區域集中部署設備，開展更精細的探測，包括南北極區、北方中緯度區域、青藏高原和海南低緯度區域（“四聚焦”）。
　　子午工程二期于2019年開工建設，目前，部分常規設備已開展觀測，多臺大型設備正在安裝和調試。其中，位于四川稻城的圓環陣太陽射電成像望遠鏡、位于海南的三站式非相干散射雷達和陣列式大口徑激光雷達等設備，都將成為空間探測的“國之重器”。
　　子午工程二期全面建成后，獨特的“一鏈、三網、四聚焦”架構將完整覆蓋廣袤的日地空間，監測太陽活動對地球的全局性影響；通過對我國疆域的較好覆蓋，提升捕捉我國空間環境區域特征的關鍵能力。由此，子午工程將實現從地面對日地空間的三維立體式探測，連續監測日地空間環境變化，助力科學家們更好認知日地系統的整體行為、區域特征以及背后的深刻機理，大幅提升我國空間天氣研究和應對空間天氣挑戰的能力，為航天、通信、導航等活動以及國家空間安全和戰略發展保駕護航。
　?。ㄗ髡撸和醭?，為中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任）