最近，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）連續(xù)發(fā)表了兩篇臨近空間相關研究論文。
一篇揭示了第三極臨近空間電導特性，發(fā)表于國際期刊《氣象學與大氣物理學》，期刊評審專家認為，該成果的數據“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《科學通報》，期刊評審專家認為，“該實驗工作填補了國內的空白，具有重要的科學意義”。
這些被評價為“罕見”和“填補空白”的成果到底有什么用？他們又為什么將目光瞄準臨近空間？帶著疑問，《中國科學報》記者采訪了相關研究人員。
中國科學院國家空間科學中心“鴻鵠”專項青藏高原實驗隊合影（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“空天過渡區(qū)”。這里是一個飛機上不去、衛(wèi)星下不來的地方。在探測平臺技術能力的限制下，它成了人類難以長時間停留的科研“盲區(qū)”，于是科學家給它取了個直觀的外號——“忽略層”。
直到近些年，“忽略層”1在科學、軍事、經濟領域的戰(zhàn)略意義和利用價值，才逐漸被各個國家認識到。
在我國，空間中心從2010年初成立臨近空間環(huán)境研究室，專門進行臨近空間環(huán)境探測技術、應用和應用基礎研究。，2011年成立了廊坊臨近空間環(huán)境野外科學觀測研究站，開展基于地基設備對臨近空間的研究。
“我們一直在研究的就是太陽風暴對臨近空間的影響。”《中國青藏高原大氣電導率的測量》的通訊作者、空間中心研究員陳濤說。
他介紹，一次太陽風暴活動，會對地球產生三次沖擊。第一次沖擊是在太陽風暴發(fā)生的8分鐘后，極紫外光和X射線會以光速到達地球；第二次沖擊是在10分鐘左右，太陽高能粒子會到達地球；第三次沖擊是在2至3天內，日冕物質拋射會影響地球磁場。
但這些沖擊會給臨近空間造成怎樣的影響，仍然是個謎。對于想解開謎題的科研人員來說，他們有一個夢想——進入臨近空間開展原位數據探測。
這個夢想，在2018年有了成為現實的可能。這一年，面向國家重大戰(zhàn)略需求，中國科學院啟動戰(zhàn)略性先導科技專項——“臨近空間科學實驗系統(tǒng)”項目，又名“鴻鵠專項”，計劃用浮空平臺等方式，載著探測器飛進臨近空間進行科學探測。
鴻鵠專項科學應用項目課題“臨近空間對太陽風暴響應特征觀測研究”負責人、空間中心研究員胡雄介紹，在鴻鵠專項中，空間中心擔下了一項重要任務——觀察和研究臨近空間對太陽風暴的響應特征，目標是開展太陽活動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，構建10公里至100公里天氣數值預報技術實驗系統(tǒng)。
2019年和2020年，基于鴻鵠專項，中國科學院空天信息創(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飛行探測實驗。空間中心組織研制的9臺探測設備，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)的兩篇科研進展，正是基于這兩次飛行積累的數據而完成的。
不斷積累的數據與經驗
2020年9月，凌晨2點，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。在氣球飛行的過程中，他們要時刻監(jiān)測探測器運行狀態(tài)，確保探測數據順利下傳回來。
陳濤研究的是太陽活動對臨近空間大氣電導率的影響。“電導率大小代表著電場大小，電場又會影響分子運動的速度，進而影響氣候變化。”陳濤說。
雖然2019年和2020年的兩次飛行都不在太陽風暴活躍期，但科研人員依然充滿期待。
“我們需要通過這次飛行探測出沒有太陽風暴時的本底數據，以便后續(xù)與太陽風暴期間的數據進行對比。”王馨悅說，“國際上可能有一些數據，但有些數據不會共享，所以我們拿不到。”
看著氣球穿過云層，繼續(xù)往上，陳濤有些緊張。這是國外科學家們在同類飛行實驗中很少經歷的。“由于擔心云層內部的雷電會損壞探測器，國際上很少會在有云的時候放飛浮空器。我們因為受飛行窗口期限制，只能在這段時間放飛。”陳濤說。
正是這些云層，讓陳濤團隊在按計劃收獲本底數據的同時，得到了意外收獲。他們發(fā)現，在穿過云層的過程中，大氣電導率會明顯減小，并通過探測數據分析這可能是云帶電及水汽壓共同作用的結果。正是這一發(fā)現，獲得了國際同行的高度評價。
在這兩次實驗中，《臨近空間飛行平臺青藏高原大氣 NOx 原位觀測實驗》一文的通訊作者、空間中心副研究員王馨悅和她的團隊也收獲滿滿。
他們研究的是太陽活動對臨近空間大氣成分的影響。“青藏高原是地球‘第三極’，其熱力動力作用是全球大氣環(huán)流機制中的重要影響因素，高海拔和遠離人類活動的特點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太陽活動響應原位探測的最佳場所之一。”王馨悅說。
臨近空間大氣稀薄，王馨悅帶領團隊專門研制出了一個能不受氣壓變化影響，又能穩(wěn)定測出氮氧化物含量的分析儀。
這兩次飛行實驗不僅讓他們積累了未來研究所需的本底數據，也驗證了分析儀的可靠性。這一設備如今已成為我國自研的首臺原位探測臨近空間大氣氮氧化物的載荷。“未來，相關技術有可能會用在火星表面、金星的浮空器上。”王馨悅說。
“對未來，我們有信心”
后續(xù)陳濤、王馨悅等人還有很多事要做。“現在我們只完成了第一步，接下來還要在太陽活動期間開展探測，更大的成果還在路上。”陳濤說。
胡雄介紹，這些年，在鴻鵠專項的支持下，空間中心的科研人員已經在宇宙線輻射與閃電次數的關系、臨近空間大氣重力波現象、臨近空間大氣風場和溫度與太陽活動的相關性及其內在機制、青藏高原大氣電導率特性、大氣氮氧化物特性、大氣電場特性等方面推進了科學認知。截至2021年，已經發(fā)表論文49篇。
他告訴《中國科學報》，目前空間中心有幾十位科研人員正在參加鴻鵠專項的工作，他們需要完成載荷研制、協(xié)同觀測、科學研究等方面的諸多任務。
“針對臨近空間浮空平臺缺乏環(huán)境探測載荷問題，空間中心組織成功研制了9臺套基于臨近空間浮空平臺的探測載荷，包括3臺電磁環(huán)境探測載荷、2臺輻射環(huán)境探測載荷、4臺大氣環(huán)境探測載荷，以及1臺套基于探空氣球的探測載荷磨式電場儀，為臨近空間浮空平臺科學觀測實驗提供了先進的載荷技術條件。”胡雄介紹，這些技術已經申請國家發(fā)明專利15項，獲授權的有5項。
同時，他們還組織國家“子午工程”、中科院廊坊臨近空間環(huán)境野外觀測站、氣輝觀測網以及相關衛(wèi)星，開展協(xié)同觀測。“我們收集了協(xié)同觀測的科學資料集，共計317.17 GB，這些都是下一步開展科學研究必需的寶貴第一手數據。”胡雄說。
陳濤介紹，2024年計劃發(fā)射升空的太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE），還將與現有觀測設備形成覆蓋天基-空基-地基的協(xié)同觀測網。
此外，胡雄介紹，空間中心還開展了太陽活動對臨近空間環(huán)境影響的數值模擬研究，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值預報技術實驗系統(tǒng)，為鴻鵠專項的科學實驗活動及國家重大任務等提供了臨近空間環(huán)境預報數據服務。
看到臨近空間欣欣向榮的局面，胡雄感慨萬千：“過去，臨近空間領域是個冷門領域，研究人員少，機構也少，但我們一直都在堅持，因為我們內心知道，這個特殊的領域很重要，我們當時的心態(tài)就是‘即便現在沒有用，不見得未來也沒有用’，很幸運，我們的堅持是對的。”
如今，他們堅持下去的動力更足了。“對未來，我們有信心。”陳濤說。
臨近空間浮空平臺載荷部分負責人合影（空間中心供圖）
相關論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s00703-022-00870-0
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1279
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