我国的子午工程都有哪些空间探测仪器?

来源:中科院之声

编者按:

4月24日是第四个“中国航天日”,今年“中国航天日”的主题是“逐梦航天 合作共赢”。我们与中科院之声联合开设“Calling太空”科普专栏,探索浩瀚空天的奥秘,为大家讲述有趣的故事,介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

“子午工程”是我国空间科学领域第一个国家重大科技基础设施项目,这一项目将我国境内交叉的15个综合性观测台站的数据相结合,连续监测我国上空的空间环境要素,并通过国际合作,发展成国际子午圈的地面观测计划,具有非常大的科学意义和价值。具体来说,子午工程利用北起漠河、经北京、武汉,南至海南并延伸到南极中山站的沿东经120°子午线附近,以及东起上海、经武汉、成都,西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近,现有的总计15个监测台站,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,连续监测地球表面20~30km以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层,以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、中高层大气的风场、密度、温度和成分,电离层、磁层和行星际空间中的有关参数,联合运作的大型空间环境地基监测系统。

中国科学院国家空间科学中心的子午工程数据中心网络汇集了子午工程所属台站监测仪器采集的数据,并对其进行处理、存储、管理,提供数据分发、共享等数据服务,是子午工程空间天气数据的交换和资源共享的平台。子午工程官方网站为:https://data.meridianproject.ac.cn/

子午工程台站和仪器(来源:子午工程官网,https://data.meridianproject.ac.cn/about-us/)

今天,我们就来简单讲讲子午工程的空间探测仪器的探测对象和基本原理,也算对我们的子午工程进行一个宣传。

(1)地磁观测

地磁观测主要用到磁力仪和电场仪。

磁力仪是测量磁场强度和方向的仪器的统称。我们子午工程用到的也是科研上最常用的磁通门磁力仪,这是一种利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其感性强度与磁场的非线性关系来探测磁场的仪器。这种传感器可以对弱磁场进行测量,体积小、重量轻、功耗低,应用非常广泛。

电场仪将金属片的感应电荷转换为和电场成正比的电压量。子午工程的电场仪包括大气电场仪和地电场仪。地电场仪用来观测地表地电场强度及其时空变化规律,而大气电场仪利用导体在电场中产生感应电荷的原理,测量地面大气电场的变化。

(2)光学观测

光学观测主要有光学干涉仪、激光雷达、极光光谱仪和全天空气辉成像仪。

光学干涉仪是利用波的叠加性来获取波的相位信息,可以利用干涉原理获得大气温度、风速等信息。

激光雷达自然就是向高空发射特定的激光了,对回波信息进行分析,例如后向散射系数、消光系数、谱线等,可以获得气溶胶、大气成分、温度、大气风场、金属层密度等信息。

子午工程北京激光雷达发射的双波长激光光束(来源:空间中心,http://www.nssc.cas.cn/xwdt2015/kydt2015/kydt/201001/t20100106_2722519.html)

光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,而极光光谱仪是对极光进行分析的。

气辉是大气某些成分受太阳光照射后,在光化学过程中所放射的微弱光辉。全天空气辉成像仪就对这微弱的气辉进行成像,可以提取大气波动等信息。

(3)火箭探测

火箭探测包括气象火箭和探空火箭,都是把探测大气温度、密度、气压等气象要素、以及电子密度、电场等物理数据的仪器通过火箭带到高空实地探测,在去除干扰后探测结果更加可靠,但仪器一般是一次性的。

016年空间中心在海南发射“鲲鹏-1B”探空火箭(来源:空间中心,http://www.nssc.cas.cn/xwdt2015/kjkxwx2015/yjjz2015/201605/t20160503_4594852.html)

(4)无线电观测

这种观测的仪器种类比较多,都利用到无线电波在高层大气中传播的特点。

仪器主要包括GPS-TEC监测仪、MST雷达、电离层GPS-TEC闪烁监测仪、电离层高频多普勒、非相干散射雷达、高频相干散射雷达、流星雷达、闪烁体望远镜、甚高频相干散射雷达、电离层测高仪、行星际闪烁监测仪和宇宙线超中子堆。

简单的讲:

各种GPS相关的设备利用了高频无线电波穿透大气、特别是含有等离子体的电离层的过程中GPS信号的变化,通过对这些变化进行反演得到电离层电子含量、分布、扰动等信息;

各种雷达、多普勒、测高仪利用了中性大气或电离层等离子体对信号的反射、散射等过程,对回波信号进行分析获得高空大气物理参量和扰动的信息;

子午工程海南站的无线观测天线和自动化设备等(来源:空间中心,http://www.nssc.cas.cn/xwzx/zhxw/200807/t20080711_2305216.html)

行星际闪烁监测仪利用的是地面仪器观测天空中的射电源(离我们很远的星体)发射的电磁波被太阳风介质所散射而形成的扰动(闪烁),由此推算太阳风速度等参数;

闪烁体望远镜和宇宙线超中子堆观测的是宇宙射线的强度,宇宙射线是来自外太空的高能粒子,它会与大气发生相互作用,产生大量的次级宇宙粒子。地面设备观测到的就是这些次级粒子的计数(或通量)。