地球科學衛星的妙用

我們在2014年第4期談到，本年度是NASA地球科學任務大爆發的一年。有5項大型地球科學任務要上天。但衛星在地球科學方面能發揮什么作用呢？NASA給出了明確的政策和一些有趣的案例。他山之石，可以攻玉。我國何時能將凱歌應用到應用上呢？

NASA的政策

NASA局長博爾登在2014年5月6日發布的一封公開信中說：“NASA在研究和保護地球環境方面的角色空前突出。氣候變化是我們必須立刻加以解決的一個問題。NASA的地球科學衛星對于記錄和理解地球氣候、預測氣候變化結果、在全球分享有關信息，是非常重要的。在美國政府發布的第三份《美國國家氣候評估》中，闡述了氣候變化對美國主要地區和經濟、社會的影響。NASA的科學家和數據為這份權威報告中很多部分的研究作出了貢獻。我們已經能夠看到氣候變化對全球的影響，尤其是通過我們的衛星鏡頭。《美國國家氣候評估》中引用了相當多NASA地球觀測衛星的觀測結果，以及NASA跨部門、跨國研究的成果。這能幫助我們理解極區冰川、極端氣候、溫度變化、海平面上升和森林生態系統。”

那么，NASA具體是如何應用這些數據的呢？

金槍魚和衛星

大西洋藍鰭金槍魚是墨西哥灣的主要漁業產品，也是美國人最喜歡的漁獲。但它和NASA的衛星有什么關系呢？NASA的科學家最近和漁業專家合作，用衛星數據研究墨西哥灣漁場的海水參數，探索海洋生態環境的變化對金槍魚生長有什么影響。這些科學家為了獲得第一手數據，不再是關在實驗室里看衛片，他們和漁民一起出海，在漁船上開展研究。

美國國家大氣和海洋管理局很早以前就開始用衛星數據來研究海洋表面溫度、海洋地形學和海洋水色，以此對金槍魚和其他主要魚種的產量進行預測。

NOAA的專家說，金槍魚的生長很慢，非常容易受過度捕撈的影響。而從上世紀70年代以來，墨西哥灣金槍魚的總量一直在減少。如今，他們綜合利用NASA和NOAA自己的衛星，打算建立一個金槍魚產量預測模型，盡量避免漁民把幼魚撈上來。這個模型可以為今后100年的漁業生產服務。

南極冰川的消退不可逆

NASA和加利福尼亞大學進行的一項共同研究表明，南極冰川的消退是不可逆的。他們在南極大陸西部的一處冰蓋上發現了快速融化的部分，已經沒有任何因素可以阻止這處冰蓋最終融入大海。

噴氣推進實驗室（JPL）利用歐洲地球遙感衛星（ERS-1和ERS-2）分別在1992年和2011年拍攝的雷達圖像進行了分析，發現這部分冰蓋每年滑入海中數量相當于整個格陵蘭島冰蓋。這兩顆衛星采用了所謂的干涉測量法，精度非常高。科學家們用它測量地表運動，精度可以達到7毫米以內。可以用這些圖像來精確測量出冰川的移動速度。再結合NASA的“業務化冰川”航空監視任務。人們確信，冰川一方面不斷滑入海中，一方面不斷變薄而消退。顯然，南極冰川的不斷消退是無法逆轉的。

根據三條基線進行的最新研究表明，南極西部阿蒙森海灣地區的冰蓋消退“已經超過了可逆轉的點”

用GPS測量積雪

在鋸齒形的山川地帶，如何才能計算出積雪的質量？難道派人去把所有的雪都掃下來嗎？NASA最近用GPS數據做了實驗，測量精度還不錯。

藍鰭金槍魚的魚苗

衛星數據顯示出的藍鰭金槍魚產卵變化模型

由NASA噴氣推進實驗室科學家道格拉斯·阿古斯領導第一個研究團隊研究了部署在加利福尼亞、內華達、俄勒岡和華盛頓州的1069個GPS監測站自2006年以來的數據。他們比較了每個站在每年10月1日到次年4月1日之間的數據。前一個日子是當地開始下雪的時間，而后一個日子是每年積雪最深的時間。由于積雪的質量，地表會微微下陷。測量型的GPS接收機精度可以達到幾毫米，可以測出這種微小的變化，具體的結果是：積雪對地面的壓力大約相當于0.6米深的水。這個數字比此前NASA用北美陸地數據同化系統模型所算出的要少。

有了這樣的數據，再結合空間或航空監視，水資源管理部門可以在冬天結束后準確預測出山地的干燥程度，進而預測春天發生山火的可能性。

阿古斯說：“研究者們發現，GPS監測站所測量到的地面高度升降完全有可能是降水導致的。但本項目中，我們第一次給出了量化的數字。”

人們發現，地面在積雪的作用下，會像床墊一樣下沉。和床墊一樣，被積雪壓陷的位置也相對集中，高山積雪會壓陷地面，而數十千米外的平原地區卻很少受到影響。GPS接收機精確地測量出了地面在冬天如何沉降、在春天如何回彈，以及這種情況發生的地區性和廣度。

阿古斯發現，加州的GPS監測站主要是為了監測地震而設置的。如果GPS監測站更加密集一些，測量的精度還會更高。

下一步，科研人員將把GPS數據與其他航空航天監測數據相結合，提高對加利福尼亞州中央山谷帶的地表水變化測量精度，建立積雪實時監測系統，使水資源管理部門能獲得一種更好的工具來管理洪水、水力發電設施和其他水資源分配工作。

富饒的美國農田

美國是世界第一大產糧國，其中很大一部分原因，是美國擁有世界上最富饒的土地。這是NASA近年來的研究所發現的。

我們知道，植物通過光合作用把陽光中的能量轉變成含能的化學物質，譬如淀粉和糖，存儲在果實、根莖和枝葉中。而實現光合作用的主要物質就是葉綠素。葉綠素一方面吸收光能，一方面也會把其中一部分肉眼看不到的熒光發射回去。因此，測量這部分熒光的量級，就可以推算出某個地區植物葉綠素的總量，進而推算出這個地區的農作物產量。

NASA戈達德宇航中心的科學家調用歐洲氣象衛星METOP-A上的“全球臭氧監視試驗-2”遙感器2007-2011年的數據，對美國本土的葉綠素進行了研究。2012年，他們得出了結論：美國的“玉米種植帶”——也就是從俄亥俄州到內布拉斯加州和堪薩斯州的地帶，其在7月的葉綠素峰值比亞馬遜河流域還高40%。

考慮到玉米在生長高峰期可以大量吸收二氧化碳，因此對農業區二氧化碳濃度的測量也可以用來估產。因此，科學家們正熱烈期待著7月份的“軌道碳觀測臺”-2發射成功。

位于俄勒岡州山上的GPS監測站