中国首个自主可控实时地磁模型发布

发布日期：2024-12-18 05:27    点击次数：69

本报记者富子梅

最近，“澳门科学一号”(以下简称“澳科一号”)卫星科学团队发布了中国首个WM³(澳门世界地球磁场模型)实时四维地球磁场系列模型1.0版。“这是‘澳科一号’卫星项目科学研究与应用取得的重大进展，将对地球科学研究与地磁导航应用发挥重要作用。”澳门科技大学讲座教授、“澳科一号”卫星首席科学家、“澳科一号”卫星科学与应用系统总设计师张可可透露。记者就此采访了张可可。

张可可介绍，该实时地球磁场模型充分利用了“澳科一号”卫星等高精度地球磁场数据，是中国首个自主可控的实时地球磁场模型，具有广泛重要的科学与应用价值，可用于地球深部、地球海洋、地球空间的科学研究，也可用于航天航空航海导航、资源勘探、智能终端等。

大量高精度科学数据为建立实时地磁模型打下坚实基础

“澳科一号”卫星项目由国家航天局与澳门特别行政区政府联合开展，是首颗内地与澳门合作研制的空间科学卫星。

“澳科一号”卫星成功发射一年多来，产生了大量高精度科学数据，被各国相关领域的科学家用于地球深部、地球海洋、地球空间科学研究与应用。张可可表示，这就为本次数据应用重大进展的取得打下了坚实基础。

“有了高精度的数据，要想建立实时地球磁场模型，依然是一项科学与技术上极具挑战性的任务。”张可可解释，这是因为地球是一个非常复杂的耦合圈层系统。地球主磁场由位于地下2890公里至5150公里处的地球外核流体产生，但科学家对地球外核铁镍混合物导电流体的动力学时空结构知之甚少，因此地球磁场的时空变化被《科学》杂志评选为最具前瞻性的科学问题之一。

地球固体内核大约5000K(开尔文)的高温，地球外核铁镍混合物导电流体产生强烈的热对流，保持地球外核处于液体状态，通过非常复杂的非线性发电机效应，产生并维持地球液态外核的电流，进而产生随时间变化的地球内秉磁场。

卫星测量的高精度地球磁场与地球系统动力学、物理结构、化学性质等紧密相关，地球磁场是唯一能反映地球系统的地核、地幔、海洋、岩石圈以及电离层与磁层特性的物理场。“因此，卫星测量的高精度地球磁场为科学家研究地球复杂系统提供了宝贵信息。”张可可说。

建立了世界首个地球外核流场三维结构与中国首个全球海洋运动磁场结构

“澳科一号”卫星科学家团队基于“澳科一号”卫星磁场数据及其他有效地磁数据，利用人工智能物理信息神经网络新算法，刻画了地球外核发电机三维流场，揭示了地球液态外核流场结构呈现显著的东西半球不对称性，发现了大西洋下方液态外核中呈现由东向西的大尺度环流，显示了地球液态外核中发电机三维流体运动的核幔耦合特征。“这是开创性的科学发现，揭开了地球液态外核流场的神秘面纱，就像通过指纹认识了一个人。”张可可形象地说。

地球海洋由导电率较高的流体组成，地核发电机产生的主磁场与大尺度海水运动相互作用会产生感应磁场，高精度“澳科一号”卫星可以观测到地球海洋潮汐运动感应磁场。由于海洋感应磁信号对海洋几何形态、海底结构、海水电导率和海洋流场都很敏感，因此可用感应磁场来研究海底地球物理和地质结构与大规模海洋运动的性质。

“建立全球海洋运动磁场结构，又是一项在理论与计算上具有挑战性的难题。”张可可说，因为海洋几何形态、大陆边界、海洋洋流的复杂性，通用的球谐函数方法无法直接用于海洋感应磁场的计算。利用“澳科一号”卫星磁场数据及其他有效地磁数据，“澳科一号”卫星团队通过对海洋与陆地的网格化、海水潮汐速度的网格化，利用现代算法来求解方程，进而求得中国首个全球海洋运动磁场结构。

目前发布的实时地球磁场模型1.0版本是基于“澳科一号”卫星高精度磁场数据及其他有效地磁数据，利用“澳科一号”卫星团队自主研发的核心技术、核心算法、核心软件所建立。“随着‘澳科一号’卫星数据不断积累以及算法与软件的更新，‘澳科一号’卫星团队将会不断发布实时地球磁场模型的更新版本。”张可可说。

未来将建立“全球高精度地磁场星座”

“建立‘全球高精度地磁场星座’已写入最近发布的《国家空间科学中长期发展规划(2024—2050年)》。”张可可说，澳门回归25周年之际，“澳科二号”卫星项目也获得了澳门特区政府的批准。“澳科二号”卫星与“澳科一号”卫星组成高精度地磁场星座，并组网观测，提供全球高精度的地球磁场时空变化数据。

“澳科二号”卫星与“澳科一号”卫星主要科学任务一致：对地球磁场时空变化开展高精度的观测与研究。张可可透露，“澳科二号”卫星将是近地点达到约200公里、远地点达到约2000公里的大椭圆极轨道卫星。

“随着全球高精度地磁场星座的建立，澳门将会成为高精度地球磁场测量、数据与应用的中心，提升澳门在科技界的影响力，为澳门适度多元化发展提供一个可行的高科技途径。”张可可展望。

《人民日报》(2024年12月09日20版)