用中国人自己的雷达，追问电离层的秘密
三亚台站雷达阵列。
■本报记者 倪思洁 戚金葆 见习记者 王铄
开栏语
大科学装置是探索未知、突破前沿的“国之重器”，是支撑基础科学研究和取得原创性突破的关键科技基础设施。中国科学院一批大科学装置持续运转，成为探索科学无人区的前沿阵地。自今日起，本报开设“探访大科学装置”栏目，记者们将奔赴天南海北，直击科研现场，见证创新脉动，讲述科研人员立足这些国之重器，持续攻克前沿难题、奋力抢占科技制高点的动人故事。
海南三亚吉阳区，在远离市区和游客的地方，8320个天线单元，每秒数百次向电离层发射电磁波。
此时，数百公里外，文昌、儋州各有4096个天线单元“监听”回波。它们与三亚的主阵组成了世界上现役口径最大、功率最高的数字相控阵非相干散射雷达——海南三站式非相干散射雷达系统（以下简称三站式雷达），用来“监听”高空微小电子的一举一动，预测空间天气灾害。
这套装置是国家重大科技基础设施“子午工程”布设在中国境内最南端的一部雷达。7月24日，三站式雷达首席科学家乐新安及团队发表成果：利用该装置，首次在地球上空充满带电粒子的电离层中探测到电子伯恩斯坦波，由此证实了近70年前的理论预言。
中国自己的非相干散射雷达
10多年前，中国科学院院士万卫星向国家自然科学基金委建议，建一台中国人自己的相控阵非相干散射雷达。
如果将传统探测设备比作人耳，那非相干散射雷达就像“监听器”，可以“监听”数百公里高空电离层中电子和离子的细微动静，灵敏度相当于在万人呐喊的体育场里听到身边蚊子的声音。
2020年4月，在国家自然科学基金委的支持下，经过多年摸索，在三亚工程现场，第一块装有32个天线单元的子阵开始吊装。
2019年秋天，“子午工程”二期启动。这是一个极具雄心的项目——北起漠河、南至三亚、东临上海、西达喀什，沿东经100°+120°、北纬40°+30°两纵两横建设31个台站，目标是对我国上空日地空间环境进行全链条、立体式监测。位于祖国最南边的三站式雷达，被纳入建设序列。
在“子午工程”二期的支持下，三亚非相干散射雷达迎来了二期工程：三亚主站规模得以扩大1倍，儋州和文昌也新建了两个接收站，雷达的性能指标得到大幅度提升。
2019年秋天，王永辉从中国地质大学（北京）毕业后，保送成为万卫星的硕士研究生。由于万卫星患病，他入学后由乐新安指导。2022年夏天，他放弃了科技企业的录用通知，决定继续读博，挑战难度更大的等离子体线研究。当时，国际上能看到它的雷达屈指可数。但王永辉知道，三站式雷达一旦建成，将成为开展这项研究的“利器”。
之后每年，王永辉经常待在三亚台站。白天，参与雷达现场调试；晚上，写程序处理数据。在一次次实验和试错中，他逐渐熟悉了雷达从观测设计到信号处理的完整流程。
从王永辉身上，乐新安看到了一股韧劲：“这是一个有价值但不容易发文章的课题，但他就盯着这一件事。”
证实近70年前的预言
2023年，三站式雷达建成并通过总体验收。同年9月，研究人员观测到地球电离层中自然激发的电子伯恩斯坦波，并获得了这种波随高度变化的精细谱结构。
在非相干散射雷达的回波频谱中，电离层中电子的集体运动会产生一种特征谱线——等离子体线。在磁场的约束下，电子会一边绕着磁力线“转圈”，一边产生特定频率的静电振荡。
1958年，物理学家伯恩斯坦从理论上推导出在有磁场的等离子体中，当电子的纵向振荡沿垂直于磁场的方向传播时，电子的集体振荡会与回旋运动相互作用，在电子回旋频率的各个整数倍附近形成一系列共振谐波。这种具有特殊谐波结构的静电波，后来被称为电子伯恩斯坦波。在非相干散射雷达的回波频谱中，它表现为等离子体线在这些频率附近发生分裂，并出现精细的谱线间隙。
但几十年来，在地球电离层区域，它的完整结构只存在于物理学家近70年前预言的公式里。
作为论文第一作者，王永辉介绍，完成这样的观测需要同时满足3个条件。首先，等离子体线回波十分微弱，雷达必须具有足够高的灵敏度；其次，雷达波束能够指向接近垂直地磁场的方向；最后，接收机要有足够的带宽，才能记录完整的谱线结构。这3个条件缺一不可。
三站式雷达做到了。它依托海南低纬的区位优势，实现了近乎垂直地磁场的观测。凭借高雷达增益和宽带接收机，王永辉设计的特殊实验模式捕捉到了100至1000公里范围内的高达7阶的等离子体线分裂结构，与理论预测相吻合。
这项成果不仅验证了理论预测，也为诊断电离层参数提供了新途径。乐新安介绍，这些谱线的频率结构可以当作一把“标尺”，据此反演电子密度及垂直于地磁场方向的电子温度，而这些参数在近乎垂直地磁场的观测条件下，往往难以通过传统方法获得。
如今，成果正式刊发，王永辉即将拿到博士学位，但他说“这还只是个起点”。三站式雷达的运行寿命很长，他计划继续从事非相干散射相关的科学研究，把雷达的作用发挥到极致。
“必须”做的事
三亚站的办公楼里挂着一排照片，记录了十多年来雷达的每一个关键节点。照片旁的说明里，万卫星的名字经常出现。
万卫星去世后，每年5月20日，万卫星的学生们总要带着鲜花去老师的墓前，把新进展告诉他。“这是老师始终牵挂的事。”万卫星的学生、三站式雷达副主任设计师丁锋说。
2020年4月，在北京301医院的病房里，乐新安握着老师的手说“雷达已经吊装了”。万卫星说不出话，但手上“用了一下劲”。2020年5月20日，一期雷达阵列刚铺完1/3，万卫星与世长辞。今年，乐新安等人像往年一样去了万卫星的墓前。这一次，他们带去了论文即将发表的消息。
如今，三站式雷达已进入常态化运行。三亚、儋州、文昌3个台站里，共有7位年轻的台站职工轮班值守，每4小时巡检一次。每天，大家要检查配电房有没有异常，确认每一个子阵的运行状态。
每个人的心里都有“必须”做的事。
“除了发表文章，我们还必须持续提高数据质量。”乐新安说。
“这么大一个仪器，必须亲眼看到问题，才能及时解决。”丁锋说。
“必须到三亚台站去，认真设计实验，跑通数据处理流程，多试错，才能发挥雷达的潜力。”王永辉说。
他们的工作得到了“子午工程”二期的认可。“低纬地区是‘子午工程’的重点监测区域，可以监测地球的中高层大气、电离层。三站式雷达填补了我国在低纬电离层多参量探测的空白，也为未来的国际子午圈大科学计划提供了关键支撑。”中国科学院院士、“子午工程”二期总指挥王赤说。
三站式雷达所属的“子午工程”二期，已是当今全球覆盖范围最广、监测要素最全、综合能力最强的空间环境地基综合监测网。中国科学家正在酝酿和推动国际子午圈大科学计划，以提升全人类防御全球空间天气灾害的能力，三站式雷达团队也积极参与其中。
如今，位于三亚主站的雷达阵列日日向高空发问。建设和守护它的这群人，一代接一代，把一件事做了10多年，再做20多年，直到为所有谜题找到答案。