空间天气学国家重点实验室忙些什么?

看过电影《地心引力》的同学,一定对太空碎片瞬间摧毁飞船和空间站的壮观场景留下了深刻的印象.其实,日夜为我们的地球带来光和热的太阳,偶尔也会打个“喷嚏”,将威力不亚于太空碎片的太阳风暴吹向地球.剧烈的太阳风暴,虽然不会损坏飞船的外壳,但其中的高能粒子却能钻进飞船的内部,击毁电路,进而威胁航天员的生命安全.而空间天气学国家重点实验室的老师和同学,就致力于研究太阳风暴和地球空间环境的变化规律,为航天和其他人类活动保驾护航.

小C是实验室的一名博士研究生,本科毕业后来到实验室硕博连读,已经在实验室度过了三年半的时间.小C本科的专业就是空间物理,在选择读研单位的时候,本科的老师向他推荐了中科院空间中心的空间天气学国家重点实验室.老师告诉小C,这里有着由两名中科院院士、三名“百人计划引进人才”、五名“国家杰出青年基金”的获得者组成的国内空间天气学最雄厚的研究团队,牵头了国内大部分空间天气领域的研究项目.在空间天气事件对地球产生影响的各个环节,都有课题组“分兵把守”：有的课题组盯住太阳表面,从细微处捕捉空间天气灾害源头的蛛丝马迹,有的课题组研究空间天气灾害从太阳到地球的传播过程,还有的课题组专注于太阳风吹袭地球后在卫星、飞船运行的磁层区域、电波信号传播的电离层区域、洲际导弹飞行的中高层大气区域所产生的各种效应和影响.

本科的基础理论学习让小C大致了解了空间天气对于航天活动和人们日常生活的影响.在他的想象中,“国家重点实验室”应该是这样一番景象：在神舟、天宫、嫦娥等重要的飞船、探测器发射前,实验室一片繁忙,大家都忙着分析近期的空间天气状况,预报飞船可能遇到的危险情况,在太阳打的“喷嚏”到达地球前及时对航天部门提出警告和建议.

然而后来的实验室生活和小C想象的不大一样.导师分配给他的课题是太阳风的数值模拟,他每天的工作就是看看论文,写写代码,测试数值模型的性能,把新的数据观测输入到模型中.每逢重大发射任务,实验室还像往常一样按部就班地进行着科研工作.小C之前想象的十分过瘾的预报工作,实际上是由中国气象局所属的国家空间天气监测预警中心等空间天气业务部门所承担的.

随着自己科研工作的逐步深入,小C也渐渐认识到,自己的工作虽然不像预报部门的老师同学那么“拉风”,却和他们的工作同等重要.要对空间天气事件作出准确的预报,就必须先了解空间天气事件从太阳表面到地球的发展规律.巧妇难为无米之炊,没有小C实验室的科研工作,预报部门就没有预报方法和模型.

数值预报方法的发展使得气象台能越来越准确地预报出未来几天的阴晴雨雪.和气象预报一样,空间天气预报也正经历着从经验预报方法向数值预报方法的发展,而小C的课题就是研制新一代的太阳风暴数值预报模型.在模型开发完成后,预报员只需将在太空中运行的卫星所观测到的太阳磁场信息输入到这个数值模型,然后在高性能并行计算机上运行一天,就可以清楚地判断太阳风暴是否会吹袭地球、吹袭到地球时太阳风暴的各个参数.这个模型可以给出提前两天以上的预报,为我们赢得宝贵的准备时间.

另外,像气象台用各种仪器观测下空气的温度多高、湿度多大、某个时间下了多少雨一样,空间天气学家和预报员们也需要借助仪器来观察地球以外的太空中空间天气的变化情况.空间天气学国家重点实验室牵头建设的空间环境地基监测系统“子午工程”,是目前世界上是跨度最长、功能最全、综合性最高的子午监测链.它的15个观测台站分布在东经120度子午线线上.从我国最北端的漠河到最南端的海南,子午工程的探测仪器和探空火箭日夜监视着我国上空的空间环境变化,工程的指挥大厅和数据中心就设在空间天气学国家重点实验室实验室.有了实验室在工程建设和日常维护中的辛勤工作,空间天气预报员们方得以持续地得到准确的空间天气状况测量数据,从而精准地做出评估和预报.

三年多的科研学习让小C逐渐成长为一名科研队伍中的新兵,今后,他也会像他的老师们一样,为国家的空间天气事业作出自己的贡献.