张清和:在太空的原野拓荒||
作科研,是一场在暗夜里摸索前行的旅程,有时候绕了很大一个弯子才到目的地;有时候路已经走了一大半,才发现方向偏了,或者完全错了,只能推倒一切,重新出发。

张清和:在太空的原野拓荒

2021-03-19来源:大众日报 09版

  张清和在北极黄河站

  太空台风形成机制示意图

太空台风形成机制示意图

  太空台风示意图

周末人物·中国新闻名专栏
   □ 本报记者 李梦馨
  近日,山东大学空间科学研究院张清和教授率领的国际研究团队,首次在北极上空发现了类似台风的“太空台风”。这一最新研究成果被《自然·通讯》在线发表,并被《自然》选为研究亮点。日前,记者采访张清和教授,听他讲述自己的科研故事。
发现“太空台风”
  进入3月份以来,张清和几乎每天都能收到各家媒体发来的采访邮件。除了日常的科研、教学之外,他的日程上又增加了回复媒体邮件这一项。算起来,自从论文在《自然·通讯》上发表后,引起了国内外的广泛关注,一共有400多家国内外媒体先后报道了张清和团队的发现成果。
  “太空台风”,这个由张清和团队仔细推敲想出来的名字,也迅速登上了维基百科的词条。一个新词条的诞生并不罕见,但一种新的太空现象的发现,却实属不易。“毕竟地球上空的空间环境已经有几十年甚至上百年的成熟观测了,想要发现一种全新的、不为人知的太空现象还是非常难的。”张清和说。
  一切还要追溯到2019年上半年,在一次分析和处理海量日常观测数据的过程中,发生在2014年8月20日北极磁极点附近的类似于台风气旋状、水平尺度超过1000公里的极光亮斑引起了张清和的注意。
  张清和与极光打了十几年交道,对其结构特征再熟悉不过。通常情况下,极光大都发生在纬度较低的极光椭圆内,磁极点附近的极盖区不会有明显的极光。而且,亮斑的亮度远远超过了以往对于极光的认知。
  这个异常的现象触动了张清和敏感的神经,他敏锐地察觉到,或许这会带来一次重大发现。收集月球轨道的卫星数据、电离层卫星数据、地面多部雷达数据,这些工作立刻被提上日程。在分析观测数据时,张清和团队惊喜地发现,当卫星穿越亮斑结构时,会形成一个类似涡旋的对流。随着研究的深入,中间速度为零的“台风眼”、圆形的磁场扰动、强电子“雨”……这些类似台风的特征也在这个亮斑结构上一一浮现。“太空台风”之名也由此而来。
  台风,对于大多数人来说并不陌生,但“太空台风”究竟是怎么回事?张清和解释说:“太空台风”,是指发生在地球极区电离层与磁层类似台风或飓风的现象。
  长时间极端平静地磁条件下,发生在地球高纬度的磁层与太阳风相互作用及其演化,使得在北极磁极点上方的电离层与磁层形成了一个巨大的顺时针旋转的漏斗形磁螺旋结构。该结构形成了太阳风带电粒子进入地球中高层大气、地球带电粒子逃逸至磁层的通道,极大提升了太阳风-磁层能量的耦合效率。
  “太空台风”的出现,往往伴随着高能电子的沉降,这些电子会对大气层起到加热作用,造成大气层局部膨胀、密度升高。卫星、火箭在途经相应区域时,其运行轨道也会随之“变形”。更为危险的是,太空中悬浮着一些空间碎片,这对于人造卫星来说是一个潜在的隐患,国际上通过编号来监测其运行,但如果碰上“太空台风”,轨道发生变化,监测也会失灵。此外,相应区域的卫星通信、导航也会受到干扰,造成信号的剧烈扰动,甚至丢失。
  危害不限于此,值得警惕的是,强能量粒子的沉降,会形成恶劣的辐射环境,给途经此处的飞机乘客带来较大的辐射量,可能危及人体健康。
  以往学界普遍认为,在极端平静的地磁活动条件下,太阳风与地球磁层的能量耦合非常弱,几乎被人们忽略,此前也很少在这些区域布设相关地磁活动监测设备。“太空台风”的发现,掀开这片观测“盲区”的一角。摸清形成机制和演化规律,还需要更深入的研究,通过建模预报,合理规避风险,是张清和正在努力的方向。
极光之下
  研究空间物理,并不是张清和一开始的选择。2005年,正在西安电子科技大学攻读博士学位的张清和因为一次偶然的机会从无线电物理转到了空间物理方向。当时,中国极地研究中心来西电进行招聘宣讲,张清和的导师推荐他去进行空间物理方面的研究。在北京大学上了半年的基础课程之后,张清和就到位于上海的中极研究中心开展博士论文工作。
  这个选择,也冥冥之中将张清和导引到内心深处热望的轨道上。他对科学的最初想象源于童年,那时,四四方方的电视是他了解大千世界的渠道。张清和跟很多小伙伴们一样,沉迷上看《西游记》,渴望拥有孙悟空那样腾云驾雾的本领,到“天上”去看一看。
  后来,看到电视上播放的航天航空方面的报道,对“天上”的向往也具象化到了太空。张清和憧憬不已,“感觉要是哪一天能走向太空,或者能研究太空这方面的东西该多有意思”。高中时,他开始了解到南北极考察,遥远的南北两极充满了神秘与未知,也成为他愿望清单里的重要一项。
  对于从事空间物理研究的人而言,南北极是一个非常重要的天然实验室。拥有固定磁场的地球相当于一个巨型的条形磁铁,条形磁铁的两极磁力线连向无穷远处。在太阳风的吹袭之下,南北极的磁力线对外开放,与太阳风相连。人们熟知的极光正是由太阳风带电粒子沿着磁力线进入南北两极形成的。磁层很多动力学过程也能沿着磁力线映射到极区电离层,因此,极区电离层是太阳风-磁层-电离层耦合过程的“天然显示屏”,众多空间物理现象都能在极区电离层找到踪迹或影响。
  研究极地空间物理,使张清和年少时对于太空、极地的梦想终于交汇,合并在了一个轨道上。
  对于极地的向往,在不久后变成了现实。张清和永远忘不了第一次踏上中国北极黄河观测站的那天。一下飞机,他就抬头看了一眼天空,如帷幕一般的极光笼在上方,还伴随含糊不清的噪声。张清和愣住了,他站在原地,恍若置身人间仙境,不知身在何处。“那是无法用语言表达的震撼”。张清和说。
  “浩瀚大地雪茫茫,呼啸寒风石狮昂。沉沉夜幕罩万象,点点繁星缀穹苍,绚丽极光形各样,白袖绿带红衣裳,独处极巅勤观测,嫦娥奔月我护航。”张清和即兴写下了这段文字。
  中国北极黄河观测站坐落在挪威北部斯瓦尔巴德群岛的新奥尔松观测村,驻地是一座斜坡顶的二层红色小楼,门口陈列着两头石狮子。极光光学观测平台,就搭设在顶层的五个小阁楼上。张清和的日常工作,就是利用这些设备观测极光,采集科学数据。
  第一次去北极,是在2007年1月,正值冬天,在黄河站观测的只有张清和自己。驻扎在新奥尔松的,还有来自挪威、德国、法国、英国等国家的科研人员。平时,张清和除了跟他们一起去集体食堂吃饭,每周约几次晚上打球放松休闲之外,剩下的大部分时间都是一个人待在楼里观测,偌大的站房,连个说话的人都没有。
  挪威的冬天,经常下雪。观测极光的相机,顶上都罩有玻璃,一旦碰上雪天,玻璃上就会结一层霜,非常影响观测效果。张清和常常在零下二十多度的天气里,来到室外清扫积雪,有时会待上一两个小时。除了极端恶劣的天气,为了避免太阳强光辐射对设备造成的伤害,他也要在天亮之时,进行设备的关机维护。
  但即便张清和像呵护孩子一样照顾设备,也难免碰到出故障的时候。独自驻黄河站的张清和,就向他国的科研人员寻求帮助,如果还是不行就只能联系国内的工程师,或者与厂商沟通解决。
  同年10月,张清和再次奔赴北极进行科学考察,两次在北极一共待了六个月。大多数时间,都是这样度过,但他却“没有感到很苦很累”。黄河站离海不远,观测之余,他经常坐在雪地上,身边是海、雪,头上是极光,如痴如醉中,几乎忘记了时间的存在。这段经历让张清和“深深地爱上了空间物理”,这份热爱也成为支撑他日后开展极地研究非常重要的原动力。
拨开迷雾的引路人
  2008年博士毕业后,张清和来到英国卢瑟福实验室继续从事博士后工作。在这里,他遇见了自己的人生导师,英国皇家科学院院士Mike Lockwood。
  卫星的观测数据,跟理论上的推算时有出入,张清和抱着这样的问题去请教导师。“他能坐在那一上午,就单纯给我讲解这个问题,一讲起来连中午饭都忘记了。”张清和回忆说。为了解释一个观测数据,Mike Lockwood会用一堆一堆的公式,写满了白纸,告诉他这背后的缜密的推演过程。两人在超市排队的时候也不忘讨论,前面的队伍都没人了,他们还浑然不觉。
  这种师生相处之道深深地影响着张清和,几年后,他变成了给别人拨开迷雾的引路人。
  2013年夏天,张清和离开上海,来到山东大学任教,高校里朝气蓬勃的学术氛围深深地吸引了他。但问题也随之而来,转换平台意味着研究团队、实验平台等等都要从零开始、着手重建。
  更令他困扰的还是招不到研究生。空间物理属于一个相对冷门的专业,原本选择这个方向的学生就很少。再加上张清和初来乍到,学生还摸不透他的风格,大家都不敢冒险选一个自己不太熟悉的老师。一年后,张清和才收到了第一个研究生,还是原来在中国极地研究中心一起工作的同事。
  空间科学与物理学院2019级直博生王翔宇,读本科期间听了张清和一堂关于极区科研的课,对极区自然现象一向有着浓厚兴趣的他,不久后就主动加入了张清和的课题组,跟着他进行本科生科研立项的工作。在大四面临升学的关头,他毅然放弃了去外校读研的机会,加入到张清和团队中。
  “对待科学张老师非常严谨,尤其注重细节,一个词的用法、一个图例的格式都要反复修改。”王翔宇说,他也参与了“太空台风”示意图的绘制过程,看似简单的一张图,从绘制主体到最后成图却经历了无数次的讨论修改。
  学生的培养目标不在于培养学生做了什么,而在于培养学生“做事情”的能力。对于尚未受过多少科研训练的本科生,张老师会提出一个个科研问题,让他们自己调研,并给出相应的解决思路。从数据的下载、处理,到最后的报告、论文呈现,每一步都让学生参与进去。
  许多学生慕名而至。回想起最火爆的时候,一些翻译学院、数学学院等的本科学生,都来到张清和的课题组进行科研立项的工作。现在,张清和团队力量也渐渐壮大,目前,从事科研的有教授、副教授和博士后等6人,此外还有十几个硕博研究生。
  科研,并不是一个单打独斗的过程,这点对于极地空间物理而言尤为重要。很多研究需要依赖于多源的观测数据,要想有创新性的发现成果,也只能从源头的数据上寻求突破。而现在,很多观测数据,尤其是卫星数据都需要从国外获取。
  建立国际合作,是打通获取数据渠道的必由之路,张清和很早就有这样的意识。博士期间,他就通过邮件的方式联系了数位知名的国际专家,开展论文合作。从业十几年间,他跟英国、美国、挪威、日本、加拿大等国家的十余家单位建立了合作关系。就这样,通过学术交流,拓展了一个国际化圈子,搭建起一个相对完整的数据网络。“这也是我们团队近来科研成果频出的原因之一。”张清和说。
  拓展数据渠道、寻找技术支撑,多年的沉潜之后,“慢慢地成果就开始往外出了”,张清和说。2020年,张清和率领国际团队在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表论文,首次揭开了发生在地球南北极的“跨极盖多重极光弧”的神秘面纱。
  该项研究使用的“利器”,除了磁层月球轨道卫星、电离层卫星和我国南北极地面台站之外,还有中科院国家空间科学中心的三维磁流体力学模拟。这次“太空台风”的发现,同样遵循了国内国际双合作的模式,张清和团队负责观测,中科院空间中心则利用超级计算机进行高精度的数据模拟,各司其职中实现双赢。
科学敏感性
  张清和的研究方向聚焦于极区电离层磁层耦合,电离层探测工作已经进行了几十年,相关的地空探测数据可以用海量来形容。张清和将自己的工作戏称为从海量数据里捞“金”针。
  张清和举了个例子,通过卫星观测的极光数据,已经积累了15-20年,一天有16轨,来自4颗卫星的数据。极光图像有成千上万张、不计其数,从中选择值得研究的事件,无异于大海捞针。
  这就需要科研人员能沉得下心思,对特殊现象要异常敏感。开始的时候,张清和从大量数据中进行人工识别,积累下一定心得后,就通过编程有目的地挑选固定时间段的现象,再进行详细分析。
  收集数据更像一个拼拼图的过程,但每一块碎片都不是现成的,也没有一幅完整的图纸可供参照。碎片化的数据,七零八落地散乱分布着,这里有一点,那里有一点;有的数据在这个高度,有的在距离很远的另外一个地方。单是凑齐拼图,就得费上一番力气。勤勉只是第一步,还得依赖丰富的经验积累和高度的科学敏感,才能将碎片化的现象联系起来。所有数据收集完毕后,头脑中就有了一个物理图像或物理模型。
  一般的工作往往就止步于此,收集所需的观测数据后,经过一定推测,画一个简单的示意图模型,一篇论文就这样出来了。张清和对这种通行做法不太认同,他认为,证实模型的存在,寻找支撑材料,恰恰是必不可少的一环。如果没有这一步,逻辑链条相当于少了一节。
  多年的科研经历,让张清和总结出一套从观测到模拟再到证实的完整逻辑闭环。但怎么来证实呢?这就要通过大型计算机进行数值模拟,呈现一个三维物理图像,再跟之前的设想两相对照,反复验证。唯有如此,研究工作才更加严谨、更有说服力。
  成果出来之后,免不了一场与审稿人的思维交锋。著名科学期刊的审稿人和编辑,都是有着丰富经验的科学家,脑海中已经有一套成熟科学体系。要让论证站得住脚,必须得保证没有逻辑漏洞,这时,张清和的完整逻辑闭环式研究便通过了检验。“最近的这两篇文章,审稿人都觉得证据非常充分,没有太大的攻击点”,他说。
  在模拟“太空台风”时,随着计算机的运行,张清和最开始头脑里设想的图像越来越清晰。最终计算机模拟出的结果,几乎完美重现了观测和预想的图像。“当时觉得特别惊喜,甚至为此兴奋到失眠。”张清和说。
  做科研,是一场在暗夜里摸索前行的旅程,有时候绕了很大一个弯子才到目的地;有时候路已经走了一大半,才发现方向偏了,或者完全错了,只能推倒一切,重新出发。在十多年的科研工作中,张清和无疑是幸运的,他摸索出了最佳路线,但光用运气来形容这场探索,恐怕远远不够。
  在张清和的讲述中,“科学敏感性”是出现频次最高的词汇。回溯张清和的科研生涯,就会发现这种科学敏感几乎处处显现。2013年,在张清和入行的第八年,他成为国内空间物理界第三位在《科学》(science)上发表论文的学者。他在这次研究中所用的数据,是全球空间物理学界共享的,他却从中“看到了别人看不到的东西”。
  科学敏感性的培养,不在一朝一夕。只有在阅读了巨量文献,积累了大量知识的前提下,才有可能站在巨人的肩膀上,看得更高更远。其中,勤奋、思考、交流,一点也不能少;不光要耐得住寂寞,还要有怀疑精神,避免盲从。
  在张清和团队寻觅到“太空台风”的踪影后,许多科学家开始关注“太空台风”现象,并将研究重心逐渐转移到这个此前被忽略的领域,这是张清和“很乐意见到”的事情。他说,这是学术圈的一个重要运行机制。追求真理是科学家的共识,每次新发现,都意味着整个领域向前迈进了一步。张清和很幸运自己成为一次新发现的开启者,但探索的路永远没有尽头,他仍要在科学的原野中继续拓荒前行。