最近，“澳門科學(xué)一號”（以下簡稱“澳科一號”）衛(wèi)星科學(xué)團隊發(fā)布了中國首個WM?（澳門世界地球磁場模型）實時四維地球磁場系列模型1.0版。“這是‘澳科一號’衛(wèi)星項目科學(xué)研究與應(yīng)用取得的重大進展，將對地球科學(xué)研究與地磁導(dǎo)航應(yīng)用發(fā)揮重要作用。”澳門科技大學(xué)講座教授、“澳科一號”衛(wèi)星首席科學(xué)家、“澳科一號”衛(wèi)星科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師張可可透露。記者就此采訪了張可可。

張可可介紹，該實時地球磁場模型充分利用了“澳科一號”衛(wèi)星等高精度地球磁場數(shù)據(jù)，是中國首個自主可控的實時地球磁場模型，具有廣泛重要的科學(xué)與應(yīng)用價值，可用于地球深部、地球海洋、地球空間的科學(xué)研究，也可用于航天航空航海導(dǎo)航、資源勘探、智能終端等。

大量高精度科學(xué)數(shù)據(jù)為建立實時地磁模型打下堅實基礎(chǔ)

“澳科一號”衛(wèi)星項目由國家航天局與澳門特別行政區(qū)政府聯(lián)合開展，是首顆內(nèi)地與澳門合作研制的空間科學(xué)衛(wèi)星。

“澳科一號”衛(wèi)星成功發(fā)射一年多來，產(chǎn)生了大量高精度科學(xué)數(shù)據(jù)，被各國相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家用于地球深部、地球海洋、地球空間科學(xué)研究與應(yīng)用。張可可表示，這就為本次數(shù)據(jù)應(yīng)用重大進展的取得打下了堅實基礎(chǔ)。

“有了高精度的數(shù)據(jù)，要想建立實時地球磁場模型，依然是一項科學(xué)與技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”張可可解釋，這是因為地球是一個非常復(fù)雜的耦合圈層系統(tǒng)。地球主磁場由位于地下2890公里至5150公里處的地球外核流體產(chǎn)生，但科學(xué)家對地球外核鐵鎳混合物導(dǎo)電流體的動力學(xué)時空結(jié)構(gòu)知之甚少，因此地球磁場的時空變化被《科學(xué)》雜志評選為最具前瞻性的科學(xué)問題之一。

地球固體內(nèi)核大約5000K（開爾文）的高溫，地球外核鐵鎳混合物導(dǎo)電流體產(chǎn)生強烈的熱對流，保持地球外核處于液體狀態(tài)，通過非常復(fù)雜的非線性發(fā)電機效應(yīng)，產(chǎn)生并維持地球液態(tài)外核的電流，進而產(chǎn)生隨時間變化的地球內(nèi)秉磁場。

衛(wèi)星測量的高精度地球磁場與地球系統(tǒng)動力學(xué)、物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)等緊密相關(guān)，地球磁場是唯一能反映地球系統(tǒng)的地核、地幔、海洋、巖石圈以及電離層與磁層特性的物理場。“因此，衛(wèi)星測量的高精度地球磁場為科學(xué)家研究地球復(fù)雜系統(tǒng)提供了寶貴信息。”張可可說。

建立了世界首個地球外核流場三維結(jié)構(gòu)與中國首個全球海洋運動磁場結(jié)構(gòu)

“澳科一號”衛(wèi)星科學(xué)家團隊基于“澳科一號”衛(wèi)星磁場數(shù)據(jù)及其他有效地磁數(shù)據(jù)，利用人工智能物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新算法，刻畫了地球外核發(fā)電機三維流場，揭示了地球液態(tài)外核流場結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著的東西半球不對稱性，發(fā)現(xiàn)了大西洋下方液態(tài)外核中呈現(xiàn)由東向西的大尺度環(huán)流，顯示了地球液態(tài)外核中發(fā)電機三維流體運動的核幔耦合特征。“這是開創(chuàng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，揭開了地球液態(tài)外核流場的神秘面紗，就像通過指紋認(rèn)識了一個人。”張可可形象地說。

地球海洋由導(dǎo)電率較高的流體組成，地核發(fā)電機產(chǎn)生的主磁場與大尺度海水運動相互作用會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，高精度“澳科一號”衛(wèi)星可以觀測到地球海洋潮汐運動感應(yīng)磁場。由于海洋感應(yīng)磁信號對海洋幾何形態(tài)、海底結(jié)構(gòu)、海水電導(dǎo)率和海洋流場都很敏感，因此可用感應(yīng)磁場來研究海底地球物理和地質(zhì)結(jié)構(gòu)與大規(guī)模海洋運動的性質(zhì)。

“建立全球海洋運動磁場結(jié)構(gòu)，又是一項在理論與計算上具有挑戰(zhàn)性的難題。”張可可說，因為海洋幾何形態(tài)、大陸邊界、海洋洋流的復(fù)雜性，通用的球諧函數(shù)方法無法直接用于海洋感應(yīng)磁場的計算。利用“澳科一號”衛(wèi)星磁場數(shù)據(jù)及其他有效地磁數(shù)據(jù)，“澳科一號”衛(wèi)星團隊通過對海洋與陸地的網(wǎng)格化、海水潮汐速度的網(wǎng)格化，利用現(xiàn)代算法來求解方程，進而求得中國首個全球海洋運動磁場結(jié)構(gòu)。

目前發(fā)布的實時地球磁場模型1.0版本是基于“澳科一號”衛(wèi)星高精度磁場數(shù)據(jù)及其他有效地磁數(shù)據(jù)，利用“澳科一號”衛(wèi)星團隊自主研發(fā)的核心技術(shù)、核心算法、核心軟件所建立。“隨著‘澳科一號’衛(wèi)星數(shù)據(jù)不斷積累以及算法與軟件的更新，‘澳科一號’衛(wèi)星團隊將會不斷發(fā)布實時地球磁場模型的更新版本。”張可可說。

未來將建立“全球高精度地磁場星座”

“建立‘全球高精度地磁場星座’已寫入最近發(fā)布的《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》。”張可可說，澳門回歸25周年之際，“澳科二號”衛(wèi)星項目也獲得了澳門特區(qū)政府的批準(zhǔn)。“澳科二號”衛(wèi)星與“澳科一號”衛(wèi)星組成高精度地磁場星座，并組網(wǎng)觀測，提供全球高精度的地球磁場時空變化數(shù)據(jù)。

“澳科二號”衛(wèi)星與“澳科一號”衛(wèi)星主要科學(xué)任務(wù)一致：對地球磁場時空變化開展高精度的觀測與研究。張可可透露，“澳科二號”衛(wèi)星將是近地點達到約200公里、遠地點達到約2000公里的大橢圓極軌道衛(wèi)星。

“隨著全球高精度地磁場星座的建立，澳門將會成為高精度地球磁場測量、數(shù)據(jù)與應(yīng)用的中心，提升澳門在科技界的影響力，為澳門適度多元化發(fā)展提供一個可行的高科技途徑。”張可可展望。