国际子午圈大科学计划科学背景

　　我们生存的地球处在极为复杂的物理环境之中，受太阳、地球内部过程和人类活动的影响。在外地球空间（一千公里以上高度），来自太阳风的能量和围绕地球的稀薄等离子体相互作用，形成空间天气。在一千公里以下的地球大气，太阳辐射能量、空间天气释放的能量、海洋冰冻圈等地表系统的反馈调制、以及地磁场的长期变化，在不同时间尺度改变着物质的运动和分布，导致了全球变化与空间天气现象的深度耦合。对于来自太阳和地球的能量如何影响地球空间环境这一重大全球性科学问题，我们所知甚少。　　

　　图：日地空间（受到来自太阳和地球能量驱动）

　　地球空间不断地被来自于太阳和地球的能量驱动。来自太阳的光能维持着生态圈精妙的平衡，控制着地球表面天气。太阳的磁场能量则不时搅动着太阳风风暴，使地球的星际航行变得不平静。地球内部的热能推动地壳板块运动和海洋环流。地表地理特征对空气流动的扰动对局域和全球天气产生反馈。所有这些输入和相互作用使地球的气候和天气高度可变，并且常常和自然灾害及不良长期趋势联系在一起。

　　位于20-1000千尺高度的电离层和中高层大气是地球空间变化的关键。产生于太阳地球相互作用的能量及地球平流层上传的能量在这个区域形成复杂的运动和湍流，显著地改变着参与全球变化反应成分的分布。电离层和中高层大气还是极端空间天气的发轫区，灾害性空间天气事件对经济乃至人类生命都会造成严重威胁。此外，电离层和中高层大气的运动和湍流形态是相应太阳和地球能量源的映像，可以用来预报空间天气和来自地球的灾害（如地震）。

　　 直到今天，我们尚未完全认识空间天气，以及全球变化如何响应来自太阳和地球的能量流，更不要说基于这些基本认知对上述现象做高可信度的预测或预报。多年来，全球的科学家陆续建立了可以对电离层和中高层大气成像的区域性和大陆尺度的、多种监测仪器组成的观测网络。

　　国际子午圈大科学计划的目，联合这些观测网络，形成120°E+60°W子午圈协同监测体系，获得地球空间连续的、准确的、全球尺度的动态成像。主要工作包含以下四个方面：1）将现有遍布全球的观测网同步化；2）将数据处理和分析标准同质化，3）建设有战略价值的新观测能力；4）建立“国际子午圈组织”。

　　现有地球空间观测网络的大部分分布在东经120°，西经60°的子午圈，穿越了中国、俄罗斯、加拿大、美国、拉丁美洲，南极洲、澳大利亚和东南亚等国家和地区，运行和在建的仪器总台数达到一千多台。特别值得指出的是，中国国家科学子午工程计划一期和二期，将在2023年前建成世界规模最大的地基地球空间监测网，由300多台仪器开展对38种不同参数的测量。

　　集成之后，东经120°西经60°沿线的1000台科学仪器可以在地球表面到3000公里区间对地球空间进行剖面成像，测量参数包括密度、温度、电场和磁场、风场、行星波和参与全球变化成分的分布。借助地球自转，这一网络可以每12小时对地球空间进行完整的三维呈现。经过多年积累，如此形成的数据库将为太阳和地球能量如何影响地球空间环境这一关键问题提供高度有价值的见解。

　　此外，通过欧洲各国的引领，我们还有机会在欧非大陆建设一个次链。这个次链的引入可以把地球空间完整成像的间距缩短为6小时。