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中国科学报 | 用中国人自己的雷达,追问电离层的秘密(有视频)

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文 | 《中国科学报》 记者 倪思洁 戚金葆 见习记者 王铄

海南三亚吉阳区,在远离市区和游客的地方,8320个天线单元,每秒数百次向电离层发射电磁波。

此时,数百公里外,文昌、儋州各有4096个天线单元“监听”回波。它们与三亚的主阵组成了世界上现役口径最大、功率最高的数字相控阵非相干散射雷达——海南三站式非相干散射雷达系统(以下简称三站式雷达),用来“监听”高空微小电子的一举一动,预测空间天气灾害。

这套装置是国家重大科技基础设施“子午工程”布设在中国境内最南端的一部雷达。7月24日,三站式雷达首席科学家乐新安及团队发表成果:利用该装置,首次在地球上空充满带电粒子的电离层中探测到电子伯恩斯坦波,由此证实了近70年前的理论预言。


三亚台站雷达阵列。

中国自己的非相干散射雷达

01

10多年前,中国科学院院士万卫星向国家自然科学基金委建议,建一台中国人自己的相控阵非相干散射雷达。

如果将传统探测设备比作人耳,那非相干散射雷达就像“监听器”,可以“监听”数百公里高空电离层中电子和离子的细微动静,灵敏度相当于在万人呐喊的体育场里听到身边蚊子的声音。

2020年4月,在国家自然科学基金委的支持下,经过多年摸索,在三亚工程现场,第一块装有32个天线单元的子阵开始吊装。

2019年秋天,“子午工程”二期启动。这是一个极具雄心的项目——北起漠河、南至三亚、东临上海、西达喀什,沿东经100°+120°、北纬40°+30°两纵两横建设31个台站,目标是对我国上空日地空间环境进行全链条、立体式监测。位于祖国最南边的三站式雷达,被纳入建设序列。

在“子午工程”二期的支持下,三亚非相干散射雷达迎来了二期工程:三亚主站规模得以扩大1倍,儋州和文昌也新建了两个接收站,雷达的性能指标得到大幅度提升。

2019年秋天,王永辉从中国地质大学(北京)毕业后,保送成为万卫星的硕士研究生。由于万卫星患病,他入学后由乐新安指导。2022年夏天,他放弃了科技企业的录用通知,决定继续读博,挑战难度更大的等离子体线研究。当时,国际上能看到它的雷达屈指可数。但王永辉知道,三站式雷达一旦建成,将成为开展这项研究的“利器”。

之后每年,王永辉经常待在三亚台站。白天,参与雷达现场调试;晚上,写程序处理数据。在一次次实验和试错中,他逐渐熟悉了雷达从观测设计到信号处理的完整流程。

从王永辉身上,乐新安看到了一股韧劲:“这是一个有价值但不容易发文章的课题,但他就盯着这一件事。”


三亚主站雷达底部。

证实近70年前的预言

02

2023年,三站式雷达建成并通过总体验收。同年9月,研究人员观测到地球电离层中自然激发的电子伯恩斯坦波,并获得了这种波随高度变化的精细谱结构。

在非相干散射雷达的回波频谱中,电离层中电子的集体运动会产生一种特征谱线——等离子体线。在磁场的约束下,电子会一边绕着磁力线“转圈”,一边产生特定频率的静电振荡。

1958年,物理学家伯恩斯坦从理论上推导出在有磁场的等离子体中,当电子的纵向振荡沿垂直于磁场的方向传播时,电子的集体振荡会与回旋运动相互作用,在电子回旋频率的各个整数倍附近形成一系列共振谐波。这种具有特殊谐波结构的静电波,后来被称为电子伯恩斯坦波。在非相干散射雷达的回波频谱中,它表现为等离子体线在这些频率附近发生分裂,并出现精细的谱线间隙。

但几十年来,在地球电离层区域,它的完整结构只存在于物理学家近70年前预言的公式里。

作为论文第一作者,王永辉介绍,完成这样的观测需要同时满足3个条件。首先,等离子体线回波十分微弱,雷达必须具有足够高的灵敏度;其次,雷达波束能够指向接近垂直地磁场的方向;最后,接收机要有足够的带宽,才能记录完整的谱线结构。这3个条件缺一不可。

三站式雷达做到了。它依托海南低纬的区位优势,实现了近乎垂直地磁场的观测。凭借高雷达增益和宽带接收机,王永辉设计的特殊实验模式捕捉到了100至1000公里范围内的高达7阶的等离子体线分裂结构,与理论预测相吻合。

这项成果不仅验证了理论预测,也为诊断电离层参数提供了新途径。乐新安介绍,这些谱线的频率结构可以当作一把“标尺”,据此反演电子密度及垂直于地磁场方向的电子温度,而这些参数在近乎垂直地磁场的观测条件下,往往难以通过传统方法获得。

如今,成果正式刊发,王永辉即将拿到博士学位,但他说“这还只是个起点”。三站式雷达的运行寿命很长,他计划继续从事非相干散射相关的科学研究,把雷达的作用发挥到极致。


三亚主站的工作人员正在进行雷达检修。

“必须”做的事

03

三亚站的办公楼里挂着一排照片,记录了十多年来雷达的每一个关键节点。照片旁的说明里,万卫星的名字经常出现。

万卫星去世后,每年5月20日,万卫星的学生们总要带着鲜花去老师的墓前,把新进展告诉他。“这是老师始终牵挂的事。”万卫星的学生、三站式雷达副主任设计师丁锋说。

2020年4月,在北京301医院的病房里,乐新安握着老师的手说“雷达已经吊装了”。万卫星说不出话,但手上“用了一下劲”。2020年5月20日,一期雷达阵列刚铺完1/3,万卫星与世长辞。今年,乐新安等人像往年一样去了万卫星的墓前。这一次,他们带去了论文即将发表的消息。

如今,三站式雷达已进入常态化运行。三亚、儋州、文昌3个台站里,共有7位年轻的台站职工轮班值守,每4小时巡检一次。每天,大家要检查配电房有没有异常,确认每一个子阵的运行状态。

每个人的心里都有“必须”做的事。

“除了发表文章,我们还必须持续提高数据质量。”乐新安说。

“这么大一个仪器,必须亲眼看到问题,才能及时解决。”丁锋说。

“必须到三亚台站去,认真设计实验,跑通数据处理流程,多试错,才能发挥雷达的潜力。”王永辉说。


位于儋州的雷达接收站。戚金葆/摄

他们的工作得到了“子午工程”二期的认可。“低纬地区是‘子午工程’的重点监测区域,可以监测地球的中高层大气、电离层。三站式雷达填补了我国在低纬电离层多参量探测的空白,也为未来的国际子午圈大科学计划提供了关键支撑。”中国科学院院士、“子午工程”二期总指挥王赤说。

三站式雷达所属的“子午工程”二期,已是当今全球覆盖范围最广、监测要素最全、综合能力最强的空间环境地基综合监测网。中国科学家正在酝酿和推动国际子午圈大科学计划,以提升全人类防御全球空间天气灾害的能力,三站式雷达团队也积极参与其中。

如今,位于三亚主站的雷达阵列日日向高空发问。建设和守护它的这群人,一代接一代,把一件事做了10多年,再做20多年,直到为所有谜题找到答案。

开栏语

大科学装置是探索未知、突破前沿的“国之重器”,是支撑基础科学研究和取得原创性突破的关键科技基础设施。中国科学院一批大科学装置持续运转,成为探索科学无人区的前沿阵地。自今日起,本报开设“探访大科学装置”栏目,记者们将奔赴天南海北,直击科研现场,见证创新脉动,讲述科研人员立足这些国之重器,持续攻克前沿难题、奋力抢占科技制高点的动人故事。


来源:《中国科学报》 (2026-08-04 第1版 要闻)


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