超级“激光笔”求解大气神秘因子

2018-08-30 00:00:00来源: 科技日报 作者: 本报记者 操秀英

— 解读多波段多大气成分主被动综合探测系统

APSOS进西藏前在安徽淮南开展系统联调

为探知大气圈内变化无穷的奥秘,2012年,国家自然科学基金委首批资助的国家重大科研仪器设备研制专项——多波段多大气成分主被动综合探测系统(简称APSOS)启动。

该项目近日顺利结题。在海拔4300米的西藏羊八井国际宇宙线观测站,APSOS已进入工作状态。

夜晚,一束束绿色、黄色的激光射向天空,仿佛一支超级“激光笔”,探照大气中温室气体和污染气体的时空变化。

APSOS项目 同时观测多个大气要素

APSOS的科学目标是获得从近地面到110千米区间的大气温度、湿度、风场、大气温室气体与污染气体、云和气溶胶的高垂直分辨率观测资料,实现对大气垂直结构、运动变化与成分输送的研究。

过去百年,科研人员主要以计算机与数学方法为支持来进行数值模拟和预测,而无论是模型的建立还是预测方法的研究均离不开对大气层结构、成分、过程与变化的全球性长期监测。这些数据来自各国建立的气象台站及遥感探测包括雷达、卫星等。那么,APSOS又有何独特之处?

“我们的核心科学目标是获得控制大气运动过程的重要因子,理解其中的相互关系和耦合过程,用定量规律描述它,形成一个数字模式。”中科院大气物理研究所研究员、中国科学院院士吕达仁在接受科技日报记者采访时表示。

如何获取这些影响因子的相关数据?“科研人员发展了很多观测技术和手段,世界各国的卫星也做了很多工作,提供了很多数据,但是在一个定点如此高分辨率地同时观测多个大气要素的目前还没有。”吕达仁说,“与此同时,在垂直方向上对全大气层的主要要素获取较高时间和空间分辨率的长期连续观测资料,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。”

APSOS项目正是要弥补这方面的不足,同步获取全大气层多成分和多要素资料。这些要素包括温度、风场、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮、二氧化硫、云和气溶胶(气溶胶指的是大气中的固态和液态悬浮颗粒物,其实我们平时所说的雾霾和沙尘都属于气溶胶的一种)。

这些要素都在气候和环境变化中扮演着重要角色。大家最关心的PM2.5与人类健康息息相关;气溶胶也对气候变化、大气物理过程、环境科学和光的大气传输都有十分重要的影响;二氧化碳的排放则是世界各国关注的焦点;二氧化氮和二氧化硫也与环境污染密不可分。

发射激光 精准“切割”中性大气层

地球被一层很厚的大气层包围着。大气层按高度分为对流层(距地约10—20公里)、平流层(距地约20—50公里)、中间层(距地约50—85公里),在此之上为热层(上界约为800公里)和逃逸层。热层的大气因受太阳辐射,温度较高,气体分子或原子大量电离,能导电,故又称为电离层。

“我们把热层以下这些不带电的大气层称为中性大气层,APSOS系统就是围绕中性大气层来进行探测的。”吕达仁说,“因为这个区域的研究可打通大气物理和空间物理研究内容,能更深刻探析人类活动与大气运动、气候变化等之间的关系。”

APSOS也是全球首套中性大气层多成分、多要素的大型地基主被动综合探测系统。它由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大型仪器设备组成。从空中俯瞰,以组合望远镜所在建筑物为中心,装有设备的集装箱方舱分布四周,整个系统成“米”字形。

其中,激光雷达作为主动式光学遥感探测设备,具有高时空分辨率和高探测精度等优点,其工作原理是发射激光到大气中,激光光束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,通过多普勒效应获得大气温度和风场。而系统中的毫米波测云雷达则以灵敏探测高卷云见长。

另外,多台激光雷达共用一台光学望远镜,采用4块1.2米直径的镜面拼接,使其等效口径达到2米,大幅提高了激光雷达的接收能力,使其成为国际领先水平的大气探测激光雷达接收望远镜。

系统中唯一的被动遥感设备是一台超导辐射波谱仪,工作于太赫兹波段,用于探测中间层大气中的水汽、臭氧等温室气体的含量。太赫兹波段是目前可开发利用的最后一个电磁波段,具有很强的大气穿透能力,能够探测到更遥远的目标。

中科院大气物理研究所研究员潘蔚琳说,在中性大气层范围,APSOS通过发射激光,每秒打出数十个脉冲,就像一把把“剑”把大气按每几十米进行“切割”,由此精确获取大气成分信息,其中包括近年来人们最关心的PM2.5。

高海拔安置 最大化体现设备科学价值

为什么将系统安置在西藏?“西藏是中国对全球气候变化研究的重点,海拔高更有利于激光雷达和太赫兹波谱仪的探测,使得同时获取多个大气要素探测结果的机会更多,更能体现设备的科学价值和资料价值。”吕达仁说。

据了解,已经搭建好基础框架的可视化平台能够实现数据的同步更新,并将实现对系统运行情况的远程监控。但如此精密的仪器在西藏的长时间、稳定运行仍存在着一定的挑战。

“最大的问题是激光器在高原的运行,为了获得高质量的信号,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,激光器仍可以保持数年的使用寿命。

虽然目前激光雷达无法在白天和雷雨天工作,但它具备的长时间、连续稳定对大气多要素进行精细探测的优势,还是让专家对其发展充满期待。

“APSOS系统建成后,不但能够大幅提升我国在大气环境探测方面的综合国力和技术水平,还能够为大气环境监测、气象灾害预报和空间安全保障等提供有价值的观测数据,有助于对大气中新过程、新现象的发现和理解。”吕达仁说。

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责任编辑:符雪苑