朗讀張清和：在太空的原野拓荒第張清和：在太空的原野拓荒

《張清和：在太空的原野拓荒》
文化一訊日照日報文化官方帳號張清和在北極黃河站
太空台風形成機制示意圖
太空台風形成機制示意圖
太空台風示意圖周末人物·中國新聞名專欄□ 本報記者 李夢馨近日，山東大學空間科學研究院張清和教授率領的國際研究團隊，首次在北極上空發現了類似台風的“太空台風”。這一最新研究成果被《自然·通訊》在線發表，並被《自然》選為研究亮點。日前，記者采訪張清和教授，聽他講述自己的科研故事。發現“太空台風”進入3月份以來，張清和幾乎每天都能收到各家媒體發來的采訪郵件。除了日常的科研、教學之外，他的日程上又增加了回複媒體郵件這一項。算起來，自從論文在《自然·通訊》上發表後，引起了國內外的廣泛關注，一共有400多家國內外媒體先後報道了張清和團隊的發現成果。“太空台風”，這個由張清和團隊仔細推敲想出來的名字，也迅速登上了維基百科的詞條。一個新詞條的誕生並不罕見，但一種新的太空現象的發現，卻實屬不易。“畢竟地球上空的空間環境已經有幾十年甚至上百年的成熟觀測了，想要發現一種全新的、不為人知的太空現象還是非常難的。”張清和說。一切還要追溯到2019年上半年，在一次分析和處理海量日常觀測數據的過程中，發生在2014年8月20日北極磁極點附近的類似於台風氣旋狀、水平尺度超過1000公里的極光亮斑引起了張清和的注意。張清和與極光打了十幾年交道，對其結構特征再熟悉不過。通常情況下，極光大都發生在緯度較低的極光橢圓內，磁極點附近的極蓋區不會有明顯的極光。而且，亮斑的亮度遠遠超過了以往對於極光的認知。這個異常的現象觸動了張清和敏感的神經，他敏銳地察覺到，或許這會帶來一次重大發現。收集月球軌道的衛星數據、電離層衛星數據、地面多部雷達數據，這些工作立刻被提上日程。在分析觀測數據時，張清和團隊驚喜地發現，當衛星穿越亮斑結構時，會形成一個類似渦旋的對流。隨著研究的深入，中間速度為零的“台風眼”、圓形的磁場擾動、強電子“雨”……這些類似台風的特征也在這個亮斑結構上一一浮現。“太空台風”之名也由此而來。台風，對於大多數人來說並不陌生，但“太空台風”究竟是怎麼回事?張清和解釋說：“太空台風”，是指發生在地球極區電離層與磁層類似台風或颶風的現象。長時間極端平靜地磁條件下，發生在地球高緯度的磁層與太陽風相互作用及其演化，使得在北極磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉的漏鬥形磁螺旋結構。該結構形成了太陽風帶電粒子進入地球中高層大氣、地球帶電粒子逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽風-磁層能量的耦合效率。“太空台風”的出現，往往伴隨著高能電子的沉降，這些電子會對大氣層起到加熱作用，造成大氣層局部膨脹、密度升高。衛星、火箭在途經相應區域時，其運行軌道也會隨之“變形”。更為危險的是，太空中懸浮著一些空間碎片，這對於人造衛星來說是一個潛在的隱患，國際上通過編號來監測其運行，但如果碰上“太空台風”，軌道發生變化，監測也會失靈。此外，相應區域的衛星通信、導航也會受到干擾，造成信號的劇烈擾動，甚至丟失。危害不限於此，值得警惕的是，強能量粒子的沉降，會形成惡劣的輻射環境，給途經此處的飛機乘客帶來較大的輻射量，可能危及人體健康。以往學界普遍認為，在極端平靜的地磁活動條件下，太陽風與地球磁層的能量耦合非常弱，幾乎被人們忽略，此前也很少在這些區域布設相關地磁活動監測設備。“太空台風”的發現，掀開這片觀測“盲區”的一角。摸清形成機制和演化規律，還需要更深入的研究，通過建模預報，合理規避風險，是張清和正在努力的方向。極光之下研究空間物理，並不是張清和一開始的選擇。2005年，正在西安電子科技大學攻讀博士學位的張清和因為一次偶然的機會從無線電物理轉到了空間物理方向。當時，中國極地研究中心來西電進行招聘宣講，張清和的導師推薦他去進行空間物理方面的研究。在北京大學上了半年的基礎課程之後，張清和就到位於上海的中極研究中心開展博士論文工作。這個選擇，也冥冥之中將張清和導引到內心深處熱望的軌道上。他對科學的最初想象源於童年，那時，四四方方的電視是他了解大千世界的渠道。張清和跟很多小夥伴們一樣，沉迷上看《西遊記》，渴望擁有孫悟空那樣騰雲駕霧的本領，到“天上”去看一看。後來，看到電視上播放的航天航空方面的報道，對“天上”的向往也具象化到了太空。張清和憧憬不已，“感覺要是哪一天能走向太空，或者能研究太空這方面的東西該多有意思”。高中時，他開始了解到南北極考察，遙遠的南北兩極充滿了神秘與未知，也成為他願望清單裏的重要一項。對於從事空間物理研究的人而言，南北極是一個非常重要的天然實驗室。擁有固定磁場的地球相當於一個巨型的條形磁鐵，條形磁鐵的兩極磁力線連向無窮遠處。在太陽風的吹襲之下，南北極的磁力線對外開放，與太陽風相連。人們熟知的極光正是由太陽風帶電粒子沿著磁力線進入南北兩極形成的。磁層很多動力學過程也能沿著磁力線映射到極區電離層，因此，極區電離層是太陽風-磁層-電離層耦合過程的“天然顯示屏”，眾多空間物理現象都能在極區電離層找到蹤跡或影響。研究極地空間物理，使張清和年少時對於太空、極地的夢想終於交匯，合並在了一個軌道上。對於極地的向往，在不久後變成了現實。張清和永遠忘不了第一次踏上中國北極黃河觀測站的那天。一下飛機，他就抬頭看了一眼天空，如帷幕一般的極光籠在上方，還伴隨含糊不清的噪聲。張清和愣住了，他站在原地，恍若置身人間仙境，不知身在何處。“那是無法用語言表達的震撼”。張清和說。“浩瀚大地雪茫茫，呼嘯寒風石獅昂。沉沉夜幕罩萬象，點點繁星綴穹蒼，絢麗極光形各樣，白袖綠帶紅衣裳，獨處極巔勤觀測，嫦娥奔月我護航。”張清和即興寫下了這段文字。中國北極黃河觀測站坐落在挪威北部斯瓦爾巴德群島的新奧爾松觀測村，駐地是一座斜坡頂的二層紅色小樓，門口陳列著兩頭石獅子。極光光學觀測平台，就搭設在頂層的五個小閣樓上。張清和的日常工作，就是利用這些設備觀測極光，采集科學數據。第一次去北極，是在2007年1月，正值冬天，在黃河站觀測的只有張清和自己。駐紮在新奧爾松的，還有來自挪威、德國、法國、英國等國家的科研人員。平時，張清和除了跟他們一起去集體食堂吃飯，每周約幾次晚上打球放松休閑之外，剩下的大部分時間都是一個人待在樓裏觀測，偌大的站房，連個說話的人都沒有。挪威的冬天，經常下雪。觀測極光的相機，頂上都罩有玻璃，一旦碰上雪天，玻璃上就會結一層霜，非常影響觀測效果。張清和常常在零下二十多度的天氣裏，來到室外清掃積雪，有時會待上一兩個小時。除了極端惡劣的天氣，為了避免太陽強光輻射對設備造成的傷害，他也要在天亮之時，進行設備的關機維護。但即便張清和像呵護孩子一樣照顧設備，也難免碰到出故障的時候。獨自駐黃河站的張清和，就向他國的科研人員尋求幫助，如果還是不行就只能聯系國內的工程師，或者與廠商溝通解決。同年10月，張清和再次奔赴北極進行科學考察，兩次在北極一共待了六個月。大多數時間，都是這樣度過，但他卻“沒有感到很苦很累”。黃河站離海不遠，觀測之餘，他經常坐在雪地上，身邊是海、雪，頭上是極光，如癡如醉中，幾乎忘記了時間的存在。這段經曆讓張清和“深深地愛上了空間物理”，這份熱愛也成為支撐他日後開展極地研究非常重要的原動力。撥開迷霧的引路人2008年博士畢業後，張清和來到英國盧瑟福實驗室繼續從事博士後工作。在這裏，他遇見了自己的人生導師，英國皇家科學院院士Mike Lockwood。衛星的觀測數據，跟理論上的推算時有出入，張清和抱著這樣的問題去請教導師。“他能坐在那一上午，就單純給我講解這個問題，一講起來連中午飯都忘記了。”張清和回憶說。為了解釋一個觀測數據，Mike Lockwood會用一堆一堆的公式，寫滿了白紙，告訴他這背後的縝密的推演過程。兩人在超市排隊的時候也不忘討論，前面的隊伍都沒人了，他們還渾然不覺。這種師生相處之道深深地影響著張清和，幾年後，他變成了給別人撥開迷霧的引路人。2013年夏天，張清和離開上海，來到山東大學任教，高校裏朝氣蓬勃的學術氛圍深深地吸引了他。但問題也隨之而來，轉換平台意味著研究團隊、實驗平台等等都要從零開始、著手重建。更令他困擾的還是招不到研究生。空間物理屬於一個相對冷門的專業，原本選擇這個方向的學生就很少。再加上張清和初來乍到，學生還摸不透他的風格，大家都不敢冒險選一個自己不太熟悉的老師。一年後，張清和才收到了第一個研究生，還是原來在中國極地研究中心一起工作的同事。空間科學與物理學院2019級直博生王翔宇，讀本科期間聽了張清和一堂關於極區科研的課，對極區自然現象一向有著濃厚興趣的他，不久後就主動加入了張清和的課題組，跟著他進行本科生科研立項的工作。在大四面臨升學的關頭，他毅然放棄了去外校讀研的機會，加入到張清和團隊中。“對待科學張老師非常嚴謹，尤其注重細節，一個詞的用法、一個圖例的格式都要反複修改。”王翔宇說，他也參與了“太空台風”示意圖的繪制過程，看似簡單的一張圖，從繪制主體到最後成圖卻經曆了無數次的討論修改。學生的培養目標不在於培養學生做了什麼，而在於培養學生“做事情”的能力。對於尚未受過多少科研訓練的本科生，張老師會提出一個個科研問題，讓他們自己調研，並給出相應的解決思路。從數據的下載、處理，到最後的報告、論文呈現，每一步都讓學生參與進去。許多學生慕名而至。回想起最火爆的時候，一些翻譯學院、數學學院等的本科學生，都來到張清和的課題組進行科研立項的工作。現在，張清和團隊力量也漸漸壯大，目前，從事科研的有教授、副教授和博士後等6人，此外還有十幾個碩博研究生。科研，並不是一個單打獨鬥的過程，這點對於極地空間物理而言尤為重要。很多研究需要依賴於多源的觀測數據，要想有創新性的發現成果，也只能從源頭的數據上尋求突破。而現在，很多觀測數據，尤其是衛星數據都需要從國外獲取。建立國際合作，是打通獲取數據渠道的必由之路，張清和很早就有這樣的意識。博士期間，他就通過郵件的方式聯系了數位知名的國際專家，開展論文合作。從業十幾年間，他跟英國、美國、挪威、日本、加拿大等國家的十餘家單位建立了合作關系。就這樣，通過學術交流，拓展了一個國際化圈子，搭建起一個相對完整的數據網絡。“這也是我們團隊近來科研成果頻出的原因之一。”張清和說。拓展數據渠道、尋找技術支撐，多年的沉潛之後，“慢慢地成果就開始往外出了”，張清和說。2020年，張清和率領國際團隊在《美國科學院院刊》(PNAS)上發表論文，首次揭開了發生在地球南北極的“跨極蓋多重極光弧”的神秘面紗。該項研究使用的“利器”，除了磁層月球軌道衛星、電離層衛星和我國南北極地面台站之外，還有中科院國家空間科學中心的三維磁流體力學模擬。這次“太空台風”的發現，同樣遵循了國內國際雙合作的模式，張清和團隊負責觀測，中科院空間中心則利用超級計算機進行高精度的數據模擬，各司其職中實現雙贏。科學敏感性張清和的研究方向聚焦於極區電離層磁層耦合，電離層探測工作已經進行了幾十年，相關的地空探測數據可以用海量來形容。張清和將自己的工作戲稱為從海量數據裏撈“金”針。張清和舉了個例子，通過衛星觀測的極光數據，已經積累了15-20年，一天有16軌，來自4顆衛星的數據。極光圖像有成千上萬張、不計其數，從中選擇值得研究的事件，無異於大海撈針。這就需要科研人員能沉得下心思，對特殊現象要異常敏感。開始的時候，張清和從大量數據中進行人工識別，積累下一定心得後，就通過編程有目的地挑選固定時間段的現象，再進行詳細分析。收集數據更像一個拼拼圖的過程，但每一塊碎片都不是現成的，也沒有一幅完整的圖紙可供參照。碎片化的數據，七零八落地散亂分布著，這裏有一點，那裏有一點;有的數據在這個高度，有的在距離很遠的另外一個地方。單是湊齊拼圖，就得費上一番力氣。勤勉只是第一步，還得依賴豐富的經驗積累和高度的科學敏感，才能將碎片化的現象聯系起來。所有數據收集完畢後，頭腦中就有了一個物理圖像或物理模型。一般的工作往往就止步於此，收集所需的觀測數據後，經過一定推測，畫一個簡單的示意圖模型，一篇論文就這樣出來了。張清和對這種通行做法不太認同，他認為，證實模型的存在，尋找支撐材料，恰恰是必不可少的一環。如果沒有這一步，邏輯鏈條相當於少了一節。多年的科研經曆，讓張清和總結出一套從觀測到模擬再到證實的完整邏輯閉環。但怎麼來證實呢?這就要通過大型計算機進行數值模擬，呈現一個三維物理圖像，再跟之前的設想兩相對照，反複驗證。唯有如此，研究工作才更加嚴謹、更有說服力。成果出來之後，免不了一場與審稿人的思維交鋒。著名科學期刊的審稿人和編輯，都是有著豐富經驗的科學家，腦海中已經有一套成熟科學體系。要讓論證站得住腳，必須得保證沒有邏輯漏洞，這時，張清和的完整邏輯閉環式研究便通過了檢驗。“最近的這兩篇文章，審稿人都覺得證據非常充分，沒有太大的攻擊點”，他說。在模擬“太空台風”時，隨著計算機的運行，張清和最開始頭腦裏設想的圖像越來越清晰。最終計算機模擬出的結果，幾乎完美重現了觀測和預想的圖像。“當時覺得特別驚喜，甚至為此興奮到失眠。”張清和說。做科研，是一場在暗夜裏摸索前行的旅程，有時候繞了很大一個彎子才到目的地;有時候路已經走了一大半，才發現方向偏了，或者完全錯了，只能推倒一切，重新出發。在十多年的科研工作中，張清和無疑是幸運的，他摸索出了最佳路線，但光用運氣來形容這場探索，恐怕遠遠不夠。在張清和的講述中，“科學敏感性”是出現頻次最高的詞匯。回溯張清和的科研生涯，就會發現這種科學敏感幾乎處處顯現。2013年，在張清和入行的第八年，他成為國內空間物理界第三位在《科學》(science)上發表論文的學者。他在這次研究中所用的數據，是全球空間物理學界共享的，他卻從中“看到了別人看不到的東西”。科學敏感性的培養，不在一朝一夕。只有在閱讀了巨量文獻，積累了大量知識的前提下，才有可能站在巨人的肩膀上，看得更高更遠。其中，勤奮、思考、交流，一點也不能少;不光要耐得住寂寞，還要有懷疑精神，避免盲從。在張清和團隊尋覓到“太空台風”的蹤影後，許多科學家開始關注“太空台風”現象，並將研究重心逐漸轉移到這個此前被忽略的領域，這是張清和“很樂意見到”的事情。他說，這是學術圈的一個重要運行機制。追求真理是科學家的共識，每次新發現，都意味著整個領域向前邁進了一步。張清和很幸運自己成為一次新發現的開啟者，但探索的路永遠沒有盡頭，他仍要在科學的原野中繼續拓荒前行。
《張清和：在太空的原野拓荒》完，請繼續朗讀精采文章。
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