揣摩太阳的"脾气"——走进空间天气学国家重点实验室

新闻中心-中国网 news.china.com.cn   时间: 2012-09-21   发表评论>>

    喜迎十八大·走进国家重点实验室

    随着9月22日的临近,人们不免又记起美国国家科学院在2009年1月发布的一份特别报告。这份报告称2012年9月22日将爆发强烈的太阳风暴,并带来灾难。

    不过科学家们说了,目前还无法准确预测太阳强风暴的日期,所以公众不用为这份报告担忧。那么将来,有没有可能准确预报太阳风暴呢?

    如何提高空间天气预报的效率?这正是空间天气学国家重点实验室的研究目标之一。

    在太阳风暴的“引诱”下,记者走进位于中科院国家空间科学中心的国家重点实验室。走出7楼电梯,首先映入眼帘的就是一个大室徽。“最上面红色的半个圆圈代表太阳,中间部分是行星际,最下面是太阳。S、W两个字母,代表联系日地空间关系的空间天气Space Weather。”黄朝晖研究员告诉记者。

    空间天气是指由太阳活动引起的高度动态的短时间尺度的条件变化。自1957年人造卫星上天,人类进入空间时代后,卫星、通信、导航、气象预报等都离不开空间天气预报。正因此,上世纪90年代后期,空间天气研究迅速成为国际科技活动的热点和重大前沿领域之一。空间天气学重点实验室的前身是1993年成立的中科院日球物理数值开放研究实验室。2006年被科技部批准新建国家重点实验室,并于2009年通过建设验收,2010年正式成为国家重点实验室的一员。

    黄朝晖首先带记者来到子午工程科学运行中心。这里的主角是两台超级计算机。其中一台为子午工程量身定做的专用高性能计算平台,拥有128个双核处理器,在2006年中国超级计算机100强中名列45位。这台机器为子午工程运行计划的制定、子午工程物理与应用预报模式的大规模计算以及空间环境数据的三维可视化提供支撑。

    说到这,得先介绍下子午工程。“你看,这是北起漠河,经北京、武汉,南至海南并延伸到南极中山站,以及东起上海,经武汉、成都,西至拉萨的15个监测台站。”黄朝晖指着示意图解释道,“子午工程就是将这些监测台站建成一个以链为主、链网结合的,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络。”它是我国空间科学领域的首个国家重大科技基础设施项目。

    该工程的15个监测台站、95台监测设备探测到的数据先上传到数据节点站,经初步处理后传输到子午工程数据中心,最终由眼前这两台高性能计算机来处理。

    “中间这台是共享内存的高性能计算机,运行效率更高,它是刚刚到位的。”黄朝晖介绍道,以前需要耗费3个月的计算量,现在一天就能完成。

    这么高级的“家伙”当然要精心呵护。这里的温度要保持在24.5℃左右,所以室内有3台空调同时工作。如果没有特殊需要的话,研究人员也没有必要去“招惹”那两个价值近千万的“宝贝”。

    这两台高性能计算机是空间天气数值预报模式研发与演示系统的组成部分。该系统也是空间天气学重点实验室的重要研究方向之一。在这个大“机房”的隔壁,就是二维和三维演示系统。戴上3D眼镜,就能欣赏到模拟太阳风与地球磁层相互作用的“3D大片”。

    在子午工程数据与通信中心,记者看到中间的大屏幕显示了数据汇集、分发、后处理进度,及硬件设备状态等信息。在大屏幕两侧远程场景监视系统上,北京、海南、广州等数据节点的运行状况一目了然。比如,对海南观测站的观测设备在北京可以对其进行远程控制和操纵。当数据到达数据中心,左边的电视墙会实时显示相应的可视化图形。

    “监测数据到达数据中心后,后处理过程会自动启动。数据经预处理、标准化、可视化、存储备份等步骤后,进入数据库并在数据门户网站进行共享,同时提供给中国气象局等用户单位。”姚久胜副研究员告诉记者。

    此外,实验室的研究人员自主研制了空间天气物理预报模型和各种经验预报模型,使我国成为少数几个拥有空间天气物理预报模型的国家之一。

    投资近2亿元的子午工程在两年的试运行中运行稳定,功能性能达到设计指标,10月将接受国家竣工验收。“通过子午工程的建设,我们在国际地基观测中逐渐占有重要地位。”重点实验室主任、子午工程总工程师王赤说,美国最近发布的2013—2022年太阳和空间物理发展规划特别提到子午工程,表示将积极参与以子午工程为基础、并由中国科学家倡议发起的国际空间天气子午圈计划。

    谈到实验室近几年的发展,王赤介绍,从2006年被批准建设国家重点实验室到2009年1月通过验收,实验室进一步凝练了目标和发展方向。“我们主要侧重三个方面:探索新的探测手段和技术,包括天基和地基的;建立以物理预报为基础的综合预报方法,为航天、通信、导航等高科技领域的发展以及需要提供有关的科学基础;弄清灾害性空间天气过程的物理规律,形成空间天气连锁过程的整体性理论框架。”

    探测到第一手数据无疑是其他两项研究的前提。正如王赤所说,近两年,子午工程的实施让我国地基探测达到国际先进水平,此外,我国第一个为星上有效载荷测试标定的紫外辐射定标系统也已建成。同时,在天基探测方面,以北京大学涂传诒院士提出的初步设想为基础,实验室正在积极推进“夸父计划”的实施。

    该计划由一颗位于日地系统第一拉格朗日点(也称L1点,即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”“夸父B2”组成综合观测系统,将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。

    “这个计划被列入了中科院空间科学战略性先导科技专项。同时,这是个国际合作项目,中国负责‘夸父A’星的发射,而欧空局初步表示将研制‘夸父B1’‘夸父B2’,他们将在今年11月作出最终决定。”王赤说。这将是世界上唯一一个系统的、端到端的日地空间探测计划。

    “它的探测数据会加深我们对日地活动关系中空间天气基本物理过程的理解,而我们将据此不断建立和完善空间天气预报模型,建立基于物理的从太阳大气到地球空间的集成预报模式,最终实现数字空间天气预报,为太阳活动对地球空间环境影响的研究和预报奠定基础。”王赤说。

文章来源: 科技日报
责任编辑: 鹏遥