近日，中國第35次南極科學考察隊在中山站完成我國首臺極區中高層大氣激光雷達安裝調試和試運行，首次同時探測到南極中間層頂區大氣溫度和三維風場，填補了極隙區中高層大氣探測的空白。
“在極區開展高空大氣物理觀測對于建立空間天氣模型、改進無線電遠距離通訊、確定衛星軌道、國防軍事等方面具有重要意義。”中國極地研究中心極地大氣與空間物理學研究室主任、第35次南極考察隊中山站站長胡紅橋說，“我國利用南極中山站和北極黃河站地磁共軛的特點建成了國際上首個位于極隙區緯度的共軛觀測對。此次安裝的激光雷達將觀測范圍由電離層高度向下延伸到了中高層大氣，標志著我國極區高空大氣物理觀測由國際合作為主走向自主創新階段。”
瞄準國際科學研究前沿
高空大氣物理學的研究對象為從地表以上30公里高空到行星際空間發生的地球物理現象和物理過程。自1984年首次南極考察以來，我國極地科學研究歷經30多年發展，開辟了極區高空大氣物理學研究新領域。
南北極高空大氣物理研究為何受重視？究其原因，這里是地球聯系外太空的重要“窗口”。太陽是對地球影響最大的星球，不斷向外太空噴射帶電粒子并形成太陽風。太陽風與地球磁場相互作用形成磁層。在磁層和大氣保護下，地球猶如一艘巨輪迎“風”漂浮于宇宙中，人們因此免受太陽噴射的高速帶電粒子直擊。
極區是太陽風能量和粒子進入地球空間的入口，是在地球空間造成磁暴、電離層暴、粒子暴等災害性空間天氣的能量源頭，地磁場近乎垂直進出。同時，地球外層空間發生的各種動力學過程都會沿著磁力線投影到南北極，在極區電離層產生極光、磁場擾動、等離子體對流、電波吸收與閃爍現象，蘊藏了豐富的空間天氣信息。因此，極光被稱作空間天氣的“動畫”，極區電離層則被稱為空間天氣的“顯示器”。
“極區高空大氣是地球大氣層和近地空間最活躍的組成部分，與中低層大氣有較強的耦合作用，對全球變化有著靈敏響應和顯著反映。開展極區高空大氣物理觀測對空間環境和空間天氣的研究、監測和預報非常重要。”胡紅橋說，空間天氣直接與航空航天、導航、定位等高新技術發展密切相關。“例如研發自動駕駛技術，必須考慮由空間天氣造成的定位誤差。”
開辟極地研究新領域
由于地域等因素限制，我國在極光系統觀測研究方面發展較慢，從事極區高空大氣物理學研究的時間遠落后于美國、日本、澳大利亞等國。
在1990年前，我國南極高空大氣物理學研究尚處起步階段。在謀劃建立南極長城站期間，我國科學家多次到外國南極站考察。1985年10月~12月，南極及高緯地區高空物理學術討論會在京召開，標志著我國科學家在該領域邁出堅實步伐。
1990年~2005年，國家持續加大支持力度，國際合作蓬勃開展，我國極區高空大氣物理研究進入快速發展階段。特別是中山站的建立為開展極區高空大氣物理學觀測研究提供了得天獨厚的基礎條件。
據胡紅橋介紹，自1994年中國第11次南極考察以來，我國科學家通過與日本、澳大利亞等國科研機構合作，在中山站建成了達到國際先進水平的高空大氣觀測系統。縱觀20多個國家建立的50多個極地常年考察站，我國南極中山站高空大氣綜合觀測系統已躋身前列。同時，通過組織參與雙邊和多邊極區空間物理學術研討會，進一步提升了我國在極區高空大氣物理研究的國際影響力。
2005年以來，在國家重點科技項目支持下，我國極地高空大氣物理的觀測研究能力快速提升，在南極中山站建成了極區空間環境實驗室，在北極黃河站建成了極區高空大氣物理觀測系統，為我國構建國際為數不多的極區高空大氣物理共軛觀測體系奠定堅實基礎。
在此基礎上，中國科學家2013年撰寫了關于極蓋區等離子云塊演化過程的學術論文，在國際頂級科學期刊《科學》發表，引起廣泛關注。
事業興衰，關鍵在人。30多年來，我國極地考察事業發展有效促進了該學科人才隊伍建設。目前，參與極區高空大氣物理研究的包括自然資源部、中國科學院、工業和信息化部、中國氣象局、中國地震局等系統和眾多高校等，形成了一支具有高水平學術的科研隊伍，瞄準極區高空大氣物理學前沿，積累了大量觀測資料，取得系列科研進展。
中山站極區高空大氣物理觀測棟，建于1997年2月。
中山站空間環境觀測棟，建成于2010年2月。
中山站激光雷達，建成于2019年2月。
積極服務空間探索活動
今年2月，中國第35次南極科考隊在中山站完成鈉熒光多普勒激光雷達探測系統的安裝和調試，標志著中國在極區大氣探測領域已掌握國際前沿關鍵技術，將為研究極隙區中高層大氣對太陽風粒子注入的響應及全球大氣環流相互作用等科學問題提供觀測數據。
2019年3月15日2：42，中山站全天空視野中的極光。
“目前中山站激光雷達已進入試運行階段，但距離業務化運行還需時間。”激光雷達項目負責人、中國極地研究中心研究員黃文濤說。
“該雷達實現了兩項創新：一是可提供三維風場信息；二是可在晴天實現晝夜連續觀測。”黃文濤說，“截至3月20日，該雷達已獲得連續80個小時的觀測數據，正在進行數據分析處理。中山站最近一直是陰天下雪，期待著天氣轉晴后獲得更多的觀測數據。”
近年來，隨著我國南極長城站、中山站、昆侖站、泰山站和北極黃河站、冰島極光觀測臺的建立，為開展極區高空大氣物理學研究提供了理想的觀測基地。目前，我國南極科學考察站現有高空大氣物理觀測設備狀態穩定，部分觀測數據可準實時傳輸到數據中心。
“中國極地研究中心高度重視極地觀測業務化，積極推進數據質量控制和處理，目前正在抓緊組織編制極區高空大氣的監測規范和數據規范，通過極地數據庫和數據中心實現數據共享。”胡紅橋說，“從科學走向應用一直是我們努力的方向，下一步我們將積極探索與應用單位合作，為服務我國空間探索活動做出新貢獻。”
（中國海洋報記者 趙寧 編輯 大紅）
