黑龍江漠河地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱漠河站）以地球物理學(xué)科前沿科學(xué)問題為牽引，發(fā)揮在我國最北建站觀測(cè)的獨(dú)特地理優(yōu)勢(shì)（圖 1），開展日地空間環(huán)境和固體地球圈層的多手段綜合探測(cè)，注重日地空間環(huán)境和固體地球圈層的“上下耦合”及“內(nèi)外響應(yīng)”探測(cè)研究。在漠河站建設(shè)綜合地球物理觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于提升國家空間安全保障能力，滿足深地-深空探測(cè)需求，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力等方面具有重要意義。
漠河站是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”的骨干臺(tái)站，是中國科學(xué)院日地空間環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)核心臺(tái)站，也是中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要觀測(cè)平臺(tái)，凝聚了地球物理學(xué)、空間物理學(xué)和行星科學(xué)等學(xué)科的骨干研究力量。有力支撐了空間天氣監(jiān)測(cè)與空間環(huán)境“上下耦合”研究、地磁場(chǎng)對(duì)空間環(huán)境區(qū)域特性的調(diào)控研究、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圈層相互作用、行星探測(cè)裝備研制及行星研究等多個(gè)方面。
圖 1 漠河站地理位置圖
漠河站配備的用于科研觀測(cè)的主要設(shè)備包括用于地磁觀測(cè)的磁通門磁力儀、磁通門經(jīng)緯儀、感應(yīng)式磁力儀等；用于電離層觀測(cè)的電離層數(shù)字測(cè)高儀和GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀；用于中高層大氣觀測(cè)的全天空流星雷達(dá)和法布里-珀羅干涉儀；用于地震觀測(cè)的寬頻帶地震儀、短周期地震儀等；另有大氣電場(chǎng)儀和流星光學(xué)觀測(cè)儀分別用于大氣電場(chǎng)和流星天文觀測(cè)。
1. 地磁觀測(cè)
漠河站自1991年建站開始地磁觀測(cè)。經(jīng)過近三十年發(fā)展，已具備國際領(lǐng)先的綜合地磁觀測(cè)與記錄系統(tǒng)（圖 2）。地磁觀測(cè)與記錄系統(tǒng)包括地磁絕對(duì)觀測(cè)設(shè)備磁通門經(jīng)緯儀、Overhauser總場(chǎng)磁力儀和地磁相對(duì)記錄設(shè)備磁通門磁力儀，形成對(duì)地磁場(chǎng)變化的測(cè)量；以及裝有觀測(cè)設(shè)備LEMI30進(jìn)行地磁脈動(dòng)觀測(cè)。地磁觀測(cè)流程參照國際標(biāo)準(zhǔn)《INTERMAGNET Technical Reference Manual》執(zhí)行，最終數(shù)據(jù)根據(jù)北京數(shù)據(jù)中心制定的《地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)年度整理方法》進(jìn)行整理后，轉(zhuǎn)換為國際IAGA2002數(shù)據(jù)格式發(fā)布，供科研用戶使用。
圖 2 磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀和三分量磁通門磁力儀
2. 電離層觀測(cè)
電離層測(cè)高儀觀測(cè)
電離層測(cè)高儀通過垂直發(fā)射掃頻高頻脈沖電磁波，當(dāng)電波頻率等于電離層等離子體頻率時(shí)，無線電波信號(hào)被電離層反射。測(cè)量從電離層反射的電波回波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，獲得各頻率點(diǎn)的電離層虛高，即電離層頻高圖。從觀測(cè)到的電離層頻高圖，通過度量反演算法，可獲得電離層參數(shù)如foF2、foF1、foE、hmF2、fmin等，還可得到電離層底部區(qū)域不同高度上的電子密度值，即電子密度剖面。
漠河站自2010年建成電離層測(cè)高儀，已經(jīng)開展了連續(xù)的常規(guī)觀測(cè)。設(shè)備采用美國DPS4D電離層測(cè)高儀（圖 3），原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠，積累了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)。制定了《電離層頻高圖參數(shù)提取標(biāo)準(zhǔn)和指南》，安排專人對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。
圖 3 漠河站測(cè)高儀天線
GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)
GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀通過接收GNSS（Global Navigation Satellite System）衛(wèi)星信號(hào)開展電離層觀測(cè)，具有覆蓋面廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、時(shí)空分辨率好、測(cè)量精度高，以及不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，在電離層空間天氣與電離層氣候?qū)W等研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在地面采用GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的雙頻信號(hào)，由于不同頻率信號(hào)引起不同的傳播時(shí)延和相位差，通過測(cè)量和分析雙頻GNSS信號(hào)的時(shí)延差和相位差，采用差分的方式消去觀測(cè)方程中的未知量，可以獲得地面接收點(diǎn)與GNSS衛(wèi)星間電波路徑上的電離層電子密度總含量（Total Electron Content，TEC），稱為 GNSS-TEC，是一個(gè)十分重要的電離層參量。利用GNSS衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的TEC參量，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電離層進(jìn)行了廣泛的研究。
漠河站在2006年建成GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀至今已連續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)十余年，目前采用自研的BG2 GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀（圖 4），可同時(shí)接收GPS、GLONASS和北斗三種系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，獲取各衛(wèi)星信號(hào)的電離層TEC等參量；儀器結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的全程自動(dòng)化。漠河站制定了《GNSS數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)》，開發(fā)了一套GNSS-TEC處理程序，采用netCDF格式存儲(chǔ)TEC數(shù)據(jù)。
圖 4 BG2 GNSS電離層監(jiān)測(cè)儀
3. 中高層大氣觀測(cè)
全天空無線電流星雷達(dá)觀測(cè)
中高層大氣是日地耦合系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一，是日地空間科學(xué)研究不可缺少的組成部分。中高層大氣風(fēng)場(chǎng)，是中高層大氣系統(tǒng)中重要的動(dòng)力學(xué)參量，它對(duì)于中高層大氣以及上下層之間能量和動(dòng)量的輸運(yùn)都起著巨大作用。為了有效的監(jiān)測(cè)我國中緯地區(qū)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)，漠河站建立了中高層大氣觀測(cè)儀器——全天空無線電流星雷達(dá)。它是中高層大氣和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)研究最有效的手段之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近空間的大氣參數(shù)的晝夜持續(xù)觀測(cè)。
全天空無線電流星雷達(dá)是一種工作在30-60 MHz的某個(gè)固定頻率的無線電雷達(dá)，利用流星尾跡返回?zé)o線電信號(hào)的多普勒頻移速度，來估算流星尾跡在視線方向的速度，再結(jié)合反射回波的到達(dá)角，就可以得到70-110km流星發(fā)生區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)速度矢量。全天空無線電流星雷達(dá)通過空間分置的天線，采用干涉成像的技術(shù)，可以得到流星事件的流星位置、濺射速度等信息。通常情況，一個(gè)臺(tái)站一天可以觀測(cè)得到10000多顆流星。通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)一定數(shù)量的流星事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與擬合反演，可以得到70-100 km高度上的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)信息。
漠河站自2011年建成全天空無線電流星雷達(dá)，觀測(cè)設(shè)備采用澳大利亞ATRAD公司EMDR20全天空無線電流星雷達(dá)（圖 5）。
圖 5 全天空流星雷達(dá)天線陣
法布里-珀羅干涉儀觀測(cè)
中高層大氣可以通過動(dòng)力學(xué)作用影響電離層的時(shí)間演化和空間分布。對(duì)于漠河這個(gè)典型的中緯地區(qū)來說，電離層中的中高層大氣動(dòng)力學(xué)作用更是尤為顯著，因此對(duì)中高層大氣動(dòng)力學(xué)要素的觀測(cè)就十分重要。
在全天空流星雷達(dá)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，漠河站布設(shè)了法布里-珀羅干涉儀（Fabry–Pérot interferometer，F(xiàn)PI）來拓展中性大氣觀測(cè)高度覆蓋范圍。FPI是一種具有高靈敏度、高光譜分辨率及高穩(wěn)定性的被動(dòng)光學(xué)觀測(cè)儀器。FPI的主要觀測(cè)目標(biāo)為夜間中性成分發(fā)出的氣輝，利用氣輝中包含的多普勒頻移和多普勒展寬對(duì)中性風(fēng)場(chǎng)和溫度進(jìn)行反演。FPI通過對(duì)于892.0 nm、557.7 nm與630.0 nm波長(zhǎng)的氣輝進(jìn)行觀測(cè)，可以獲取87 km、97 km和250 km高度的中性風(fēng)場(chǎng)與溫度信息。
漠河FPI通過激光定標(biāo)追蹤儀器狀態(tài)，進(jìn)一步組合不同方位角（仰角45°的北、東、南、西方向觀測(cè)與垂直天頂觀測(cè)）視線方向的氣輝觀測(cè)結(jié)果，最終可以反演獲得夜間中性風(fēng)矢量和中性溫度的變化信息。漠河FPI具有高度的靈活性觀測(cè)模式，可以根據(jù)科學(xué)目標(biāo)自由設(shè)定，不同波長(zhǎng)通道可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定。FPI是一種非常重要的中高層大氣動(dòng)力學(xué)探測(cè)手段，其熱層高度的探測(cè)結(jié)果對(duì)我們了解夜間電離層電子密度增強(qiáng)、午夜中性溫度極大值、磁暴期間電離層響應(yīng)等過程有著很大的幫助。
漠河站自2019年7月建成FPI，設(shè)備采用加拿大Keo Scientific Ltd.生產(chǎn)的FPI（圖 6）。
圖 6 法布里-珀羅干涉儀
4. 地震觀測(cè)
地震學(xué)是探測(cè)地球內(nèi)部最有效的探測(cè)手段，需要地震觀測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)。寬頻帶地震儀（圖 7）具有動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、易于組網(wǎng)等特點(diǎn)。地震計(jì)將地震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并在GPS的精確授時(shí)下，數(shù)據(jù)采集器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字地震信號(hào)。漠河站因獨(dú)特的地理位置，是我國可完全自主布設(shè)的大陸最北端地震臺(tái)。以漠河站為長(zhǎng)期觀測(cè)基站，有助于拓展空間采樣范圍，更好地進(jìn)行核爆監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及俯沖帶精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及動(dòng)力學(xué)過程等科學(xué)研究。
漠河站自2020年8月建成地震臺(tái)，目前運(yùn)行良好。通過開展流動(dòng)地震觀測(cè)，近年來在我國東北地區(qū)進(jìn)行了多期寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)（圖 8和圖 9）。
圖 7 地震儀及附屬設(shè)施構(gòu)成
圖 8 東北邊境布設(shè)臨江寬頻帶地震臺(tái)
圖 9 錫林浩特觀測(cè)區(qū)短周期地震觀測(cè)實(shí)際點(diǎn)位分布示意圖