最近，“澳門科學一號”（以下簡稱“澳科一號”）衛(wèi)星科學團隊發(fā)布了中國首個WM?（澳門世界地球磁場模型）實時四維地球磁場系列模型1.0版。“這是‘澳科一號’衛(wèi)星項目科學研究與應用取得的重大進展，將對地球科學研究與地磁導航應用發(fā)揮重要作用。”澳門科技大學講座教授、“澳科一號”衛(wèi)星首席科學家、“澳科一號”衛(wèi)星科學與應用系統(tǒng)總設計師張可可透露。記者就此采訪了張可可。
張可可介紹，該實時地球磁場模型充分利用了“澳科一號”衛(wèi)星等高精度地球磁場數據，是中國首個自主可控的實時地球磁場模型，具有廣泛重要的科學與應用價值，可用于地球深部、地球海洋、地球空間的科學研究，也可用于航天航空航海導航、資源勘探、智能終端等。
大量高精度科學數據為建立實時地磁模型打下堅實基礎
“澳科一號”衛(wèi)星項目由國家航天局與澳門特別行政區(qū)政府聯(lián)合開展，是首顆內地與澳門合作研制的空間科學衛(wèi)星。
“澳科一號”衛(wèi)星成功發(fā)射一年多來，產生了大量高精度科學數據，被各國相關領域的科學家用于地球深部、地球海洋、地球空間科學研究與應用。張可可表示，這就為本次數據應用重大進展的取得打下了堅實基礎。
“有了高精度的數據，要想建立實時地球磁場模型，依然是一項科學與技術上極具挑戰(zhàn)性的任務。”張可可解釋，這是因為地球是一個非常復雜的耦合圈層系統(tǒng)。地球主磁場由位于地下2890公里至5150公里處的地球外核流體產生，但科學家對地球外核鐵鎳混合物導電流體的動力學時空結構知之甚少，因此地球磁場的時空變化被《科學》雜志評選為最具前瞻性的科學問題之一。
地球固體內核大約5000K（開爾文）的高溫，地球外核鐵鎳混合物導電流體產生強烈的熱對流，保持地球外核處于液體狀態(tài)，通過非常復雜的非線性發(fā)電機效應，產生并維持地球液態(tài)外核的電流，進而產生隨時間變化的地球內秉磁場。
衛(wèi)星測量的高精度地球磁場與地球系統(tǒng)動力學、物理結構、化學性質等緊密相關，地球磁場是唯一能反映地球系統(tǒng)的地核、地幔、海洋、巖石圈以及電離層與磁層特性的物理場。“因此，衛(wèi)星測量的高精度地球磁場為科學家研究地球復雜系統(tǒng)提供了寶貴信息。”張可可說。
建立了世界首個地球外核流場三維結構與中國首個全球海洋運動磁場結構
“澳科一號”衛(wèi)星科學家團隊基于“澳科一號”衛(wèi)星磁場數據及其他有效地磁數據，利用人工智能物理信息神經網絡新算法，刻畫了地球外核發(fā)電機三維流場，揭示了地球液態(tài)外核流場結構呈現(xiàn)顯著的東西半球不對稱性，發(fā)現(xiàn)了大西洋下方液態(tài)外核中呈現(xiàn)由東向西的大尺度環(huán)流，顯示了地球液態(tài)外核中發(fā)電機三維流體運動的核幔耦合特征。“這是開創(chuàng)性的科學發(fā)現(xiàn)，揭開了地球液態(tài)外核流場的神秘面紗，就像通過指紋認識了一個人。”張可可形象地說。
地球海洋由導電率較高的流體組成，地核發(fā)電機產生的主磁場與大尺度海水運動相互作用會產生感應磁場，高精度“澳科一號”衛(wèi)星可以觀測到地球海洋潮汐運動感應磁場。由于海洋感應磁信號對海洋幾何形態(tài)、海底結構、海水電導率和海洋流場都很敏感，因此可用感應磁場來研究海底地球物理和地質結構與大規(guī)模海洋運動的性質。
“建立全球海洋運動磁場結構，又是一項在理論與計算上具有挑戰(zhàn)性的難題。”張可可說，因為海洋幾何形態(tài)、大陸邊界、海洋洋流的復雜性，通用的球諧函數方法無法直接用于海洋感應磁場的計算。利用“澳科一號”衛(wèi)星磁場數據及其他有效地磁數據，“澳科一號”衛(wèi)星團隊通過對海洋與陸地的網格化、海水潮汐速度的網格化，利用現(xiàn)代算法來求解方程，進而求得中國首個全球海洋運動磁場結構。
目前發(fā)布的實時地球磁場模型1.0版本是基于“澳科一號”衛(wèi)星高精度磁場數據及其他有效地磁數據，利用“澳科一號”衛(wèi)星團隊自主研發(fā)的核心技術、核心算法、核心軟件所建立。“隨著‘澳科一號’衛(wèi)星數據不斷積累以及算法與軟件的更新，‘澳科一號’衛(wèi)星團隊將會不斷發(fā)布實時地球磁場模型的更新版本。”張可可說。
未來將建立“全球高精度地磁場星座”
“建立‘全球高精度地磁場星座’已寫入最近發(fā)布的《國家空間科學中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》。”張可可說，澳門回歸25周年之際，“澳科二號”衛(wèi)星項目也獲得了澳門特區(qū)政府的批準。“澳科二號”衛(wèi)星與“澳科一號”衛(wèi)星組成高精度地磁場星座，并組網觀測，提供全球高精度的地球磁場時空變化數據。
“澳科二號”衛(wèi)星與“澳科一號”衛(wèi)星主要科學任務一致：對地球磁場時空變化開展高精度的觀測與研究。張可可透露，“澳科二號”衛(wèi)星將是近地點達到約200公里、遠地點達到約2000公里的大橢圓極軌道衛(wèi)星。
“隨著全球高精度地磁場星座的建立，澳門將會成為高精度地球磁場測量、數據與應用的中心，提升澳門在科技界的影響力，為澳門適度多元化發(fā)展提供一個可行的高科技途徑。”張可可展望。
《 人民日報 》（ 2024年12月09日 20 版）