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超级“激光剑”:剑指大气的深层奥秘

2017-09-12 09:17 来源:《中国科学报》 
2017-09-12 09:17:08来源:《中国科学报》作者:责任编辑:张佳兴

  9月8日夜,在中科院大气物理所淮南研究院院内,三条绿色的激光从形状如集装箱的方舱内射出,如同科幻电影《星球大战》中的激光剑一般指向苍穹。

  不过,这并非绝地武士的武器,而是科学家用于解开大气奥秘的新手段——中科院大气物理研究所牵头自主研制的全球首套全(中性)大气层多成分、多要素的大型地基综合探测系统(APSOS)。

  解锁大气奥秘的新钥匙

  雷暴、台风、暴雨,2017年这个夏天,频繁出现的极端天气不同程度地影响着人们的工作与生活。

  而过去百年间,对气候变化的研究,在数值模拟与数值预测的基础上对大气层结构、成分、过程与变化的全球性长期监测越来越倚重。若要解析气候变化的原因,继续维持和发展大气探测系统是重要的基础。

  APSOS首席科学家、中科院院士吕达仁告诉《中国科学报》记者,长期以来科学家一直用自动站网、遥感探测等手段进行大气探测,但目前却没有一套科学装置可以实现在垂直方向上对全(中性)大气层的主要要素获取较全面的高垂直分辨率和高时间分辨率的长期连续观测资料。

  “大气科学发展包括对空间科学的认识,1960年以来世界各国已做了很多工作,但是一个定点如此高分辨率同时观测多个大气要素的研究目前还没有。”吕达仁说。而这对更清晰地认识气候、环境变化所依托的大气机理至关重要。

  而由5台激光雷达、1台毫米波测云雷达、1台太赫兹超导辐射波谱仪和1台组合望远镜构成的APSOS,就为科学家探究全球气候变化原理的“工具箱”增添了一个长期连续观测大气多要素的新工具。

  把大气层“切割”开来

  从外观上看,由4块1.2米直径的镜面拼接而成的组合望远镜盘踞在APSOS系统中央,对不同要素进行探测的方舱则众星捧月般环绕在它的周围。这套呈放射状的系统,将采用主、被动遥感结合的方式,对“大气温度、湿度变化、大气污染、大气运动”等要素进行深度“切割”。

  专家介绍,从方舱发出的激光、微波和太赫兹遥感探测信号,与大气不同物质发生相互作用,散射回来的光信号由光学望远镜接收,再被光电探测器转化为电信号。基于不同的激光雷达原理,通过处理接收到的信号就能得到不同探测物质的含量,还可以利用多普勒效应获得大气温度和风场信息。

  最终,科学家关心的大气要素都会呈现在APSOS综合数据分析和可视化平台上,成为可被研究用户直接应用的产品。

  中科院大气物理所助理研究员王一楠介绍称,已经搭建好基础框架的可视化平台能够实现每5秒一个数据的同步更新,并将实现对系统运行情况的远程控制。

  “这套系统的目的是在地面上放多个垂直方向的观测设备,测量从地表最高到100公里高度大气要素的垂直分布和时间变化。”吕达仁说。

  包裹着地球的大气层按高度可分为对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层。热层的大气因受太阳辐射影响,温度较高,气体分子或原子大量电离,具有导电特性,故又称为电离层。科学家把距离地面约100公里~800公里的热层以下不带电的大气层称为中性大气层,这也是APSOS系统的工作范围。

  中科院大气物理所研究员潘蔚琳以气溶胶探测为例介绍说,在全中性层范围内,激光1秒钟打30个脉冲,把大气切割成30米大小的块,以获得精确的大气气溶胶信息。

  “当在一个方向上有足够多的要素、足够高的分辨率时,相当于知道了形成大气过程的物理要素、大气动力要素。”吕达仁强调,这样的资料积累对大气研究至关重要。

  站得更高 看得更远

  在现场演示会上,APSOS系统得到了国内同行专家的一致认可。该系统将在演示后投入海拔4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站。

  “西藏是中国对全球气候变化研究的重点地区,高海拔有利于探测更多的大气要素,更能体现设备的科学价值和资料价值。”吕达仁说。

  但如此精密的仪器在西藏的长时间、稳定运行仍存在着挑战。

  潘蔚琳在气溶胶方舱内向记者介绍设备工作情况时指出,高原散热、激光器维护都将是设备在西藏地区运行期间所面临的问题。

  “最大的问题是激光器,为了获得好信号,激光器都是最高配置,对技术要求比较高。”潘蔚琳说。不过她表示,维护得当的情况下,激光器仍可以保持七八年的使用寿命。

  虽然目前激光雷达无法在白天和雷雨天工作,且一套系统只能实现一个点的大气探测,但它具备长时间、连续稳定对大气多要素进行深度探测的优势,还是让专家对其发展充满期待。

  吕达仁希望,未来有更多这样的设备,打造更多可以深度解析大气信息的“探测点”,为国内外相关研究提供更详实的数据。

  “我们希望在淮南再发展一套,并且我们的资料会向国内外科学家发布,欢迎科学家一起做观测和加强实验,这是我们的承诺也是我们的愿望。”吕达仁说。(记者 王佳雯)

[责任编辑:张佳兴]

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