祖国最北端:激光雷达助力中科院漠河台站观测工作

激光之家2018-02-12 16:08

祖国最北端:激光雷达助力中科院漠河台站观测工作

漠河台站的科研人员在讨论流星雷达接收天线的维护情况。
新华社记者 金立旺摄

祖国最北端:激光雷达助力中科院漠河台站观测工作

在漠河县北极村雪地上,科研人员使用自主研发的地面电磁探测系统探测地下结构,在低温中调试设备。
新华社记者 金立旺摄

中科院地质与地球物理研究所漠河台站,是我国最北的空间环境野外观测台站。在这里,每天的观测数据不间断地传回1500公里外的北京。这些数据经过科学家的实时分析,可能被写进报告中、用到论文里,并向全世界共享。剧烈太阳活动对地球空间环境的影响,通常从高纬度地区向低纬度地区传递和渗透,地处最北端的漠河台站是我国本土开展空间环境观测的绝佳场所,科学家尤为看重它所采集的数据。

有研究价值的观测数据,需要长期持续的观测。隆冬2月是漠河的极寒时节,气温最低达零下40多摄氏度。记者近日走进漠河台站时,科学家和台站工作人员还在为保障数据传输紧张忙碌着。

建在北极村的观测台站,24小时不间断传输数据

北京、哈尔滨、漠河,一路向北,终于到达漠河县的尽头——我国最北的村落北极村,再往北约1公里则是漠河台站。不远处即是中俄边界,蜿蜒而过的黑龙江已是三尺冰封。皑皑白雪、朗朗晴空的映衬下,几栋红黄、红白相间的屋子分外显眼。

自1988年漠河台站启动建设以来,李来顺就在这里工作。将近30年的时间,他见证了台站从一栋简易小平房变成功能完备的观测台站的全过程。如今,他的身份是漠河台站负责人,也是台站长期值守的3个工作人员之一。

记者来到漠河台站时,李来顺正在地磁观测室工作。每周两次,上午10点到11点是雷打不动的观测时间。观测仪器固定在高约1米、直径约40厘米的矩形柱体上,记录下地球磁场的长期变化。

中科院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室主任李国主介绍,早在1984年,老一辈科学家就筹划在漠河县建站观测地球磁场。选址北极村,看重的是这里得天独厚的空间环境监测位置。

这是因为,地球时刻受太阳活动的影响。在地球两极,磁力线是开放的,太阳活动剧烈时,来自太阳的能量和物质通过极区开放的磁力线与地球交互。这时,抛射的带电粒子流进入地球大气层就可以产生美丽的极光。这些能量可由高纬度向低纬度地区传递和渗透,在高纬度地区开展观测,能尽早感知日地空间环境事件的发生,理解日地空间环境事件的来源和机理,从而避免给人类带来破坏性的后果。

走出地磁观测室,一座30多米高的银白色天线塔与雪地相映成趣。这是用于电离层观测的测高仪发射天线,在它的附近有4根呈三角形分布的接收天线。通过垂直向上发射扫频的无线电波、接收电离层反射回波信号,科学家可以由此推断出电离层的参数信息。

电离层在离地面约60千米—1000千米的高空,但它和人们的生活息息相关。这个环绕地球的带电粒子层,对卫星通信和导航定位等有着重要的影响,科学家了解电离层变化规律,进而对紧急情况做出预警,对保障无线电通信等意义重大。

漠河台站还能监测流星。流星雷达天线阵列包含一根发射天线,以及5根呈十字叉分布的接收天线,它们零星点缀在雪地中,接收的流星回波信号实时传向后台。在监测机房,记者看到,电脑画面上呈现的不同大小和亮度的柱状结构,就是流星进入地球大气层后产生的等离子体尾迹反射无线电波造成的。根据这些观测,科学家能揭示出流星出现高度的风场、温度和密度等背景大气状态。

这里最初只有地磁观测,一年传一次数据;现在成为集合地磁、电离层和中高层大气等综合观测的野外台站,24小时不间断地传输数据。李来顺感慨:“有了国家的支持,这个边陲小站才有机会快速成长。”

台站选址远离城镇和公路,观测工作最考验耐心和细心

如今的北极村,已经是小有名气的雪乡,成为来东北旅行的热门目的地之一。时下,不少人正从全国各地来到这里,体验酷寒天气,到我国最北端“找北”。但相比日渐热闹的北极村,1公里外的漠河台站依旧“高冷”。

由于观测台站要尽量避免人类活动的干扰,选址时台站有意远离城镇和公路。李来顺说,虽然是土生土长的北极村村民,可这30年,自己一年差不多有1/3的时间都待在站上,有时候感觉“自己不太像村里人了”。

大约半个月前,漠河县下了一场大雪,气温持续走低,雪停后气温有所回升,可低温还是零下40多摄氏度。挂在屋外的红辣椒冻得像硬塑料一样。夜间,空气因寒冷显得凝重、安静。只身待在台站,遥望村中灯火人家,感到浑身孤寂、寒凉。

台站要做的工作看起来并不复杂,但很考验耐心和细心。每天早上7点,工作人员第一件事是检查观测仪器,查看它们工作是否正常,数据采集是否连续,网络传输有无异常。接着,在日记本和电子文档中,记录下每套仪器的状态。这样的检查,每天至少要做4次。

“数据写错了,或者不详细都不行。它们是给科学家做研究用的,要非常严谨。”李来顺说。

由于地处偏远的极寒区域,漠河台站观测工作也曾面临不少挑战。观测数据需要实时传输,漠河台站离村中心比较远,网络没有铺过去,只是拉了一根电话线。随着数据量越来越大,传输有时就会发生“拥堵”,造成延时。直到2016年,台站接上了光纤,传输问题才得到解决。

李来顺最担心的,则是断电造成的数据传输中断。2015年3月,一场连日的暴雪,压断了输电电线。为保障数据传输,李来顺和工作人员启动了备用的柴油发电机。大雪漫漫,数日不绝,电力线路要三四天后才能恢复,而备用的柴油只够支撑一天,他挨家挨户地向村民借柴油,才挺了过来。那些天,台站的3位工作人员时刻盯着柴油机,生怕再出故障,整整3天没怎么休息。

在工作人员的精心维护下,漠河台站观测设备近些年持续保持稳定运行,多种设备连续多年被“子午工程”评为优秀设备。观测的数据还支撑了一批重要的研究成果。比如,中科院国家空间科学中心的研究团队利用漠河站观测数据,揭示了磁暴期间电离层对等离子体层的物质调控作用,是“子午工程”首批重要成果。

近期,利用漠河台站流星雷达等多台雷达观测,中国科技大学团队等在国际上首次发现,地磁暴能显著影响极区和高纬中层大气密度,影响中层背景大气动力学过程。

未来,漠河台站还将配备一系列观测“利器”

从10月到次年5月,漠河台站都是漫长的冬季。5月,雪水融化,草长鱼肥,漫山遍野点缀着土生土长的野花——达达香,就来到一年最美的季节。然而夏季往往也是工作人员最忙的日子。一些兄弟单位的科学家和学生有时也会来考察交流,做研究。

目前,中科院地质与地球物理研究所沿着东经120度子午线建成了四站多点的空间环境观测链。从北到南,纬度间隔约10度均匀布局,依次为漠河站、北京站、武汉站、三亚站,此外还在南北极设有观测站点。这些观测站是国家重大科技基础项目“子午工程”的一个非常重要的组成部分。

在“子午工程”二期规划建设中,作为我国北部的重点观测区域,漠河台站将配备一系列神通广大的观测“利器”,包括双通道光学干涉仪、全天空气辉成像仪和增强型激光雷达等。

在漠河台站附近一处开阔的雪地上,来自中科院地质与地球物理研究所技术与装备研发中心的科研人员正在测试自主研发的地面电磁探测系统。借助探求地下电磁信号的“火眼金睛”,这套装备能看清地下矿物电性结构。

这是这些设备首次迎接极寒环境的挑战。过去,此类设备被国外品牌垄断,中科院地质与地球物理研究所技术与装备研发中心副主任王中兴说,在漠河极寒的环境下设备验证有效,以及前期大量对比试验与工程实践,增强了国产化的信心。

测试人员已经在极寒条件下工作了一个多星期。王中兴告诉记者,未来将把国产的地面地磁探测系统布设到漠河等台站,开展地球深部电性构造长期观测,为地球深部科学研究提供更多有价值的数据。

漠河台站是我国本土开展空间环境监测的最北站点,是监测来自北极空间环境扰动的前哨站。科学家认为,了解和尽早感知日地空间环境的变化还需要更多观测支撑,这就需要在漠河部署新一代雷达,用更先进的无线电和光学手段,增强对更高纬度电离层动力学过程探测能力,进而掌握日地空间环境更多有价值的一手数据。

观测设备越来越多,李来顺没有一点畏难。“我把漠河台站当家,看到家里功能更齐全,自然高兴。搞研究、写论文我不懂,但能为科学服务,做出我们的贡献,我感到很高兴。别看我们只是把数据传回去,没有直接参与研究,但时常想论文里还有我们的功劳呢。”李来顺自豪地说。

(来源:人民网 记者:喻思南)

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