坐“井”觀天 “透視”大氣

甘曉 朱美希

8月底的一個(gè)晚上，念青唐古拉峰腳下的羊八井上空，幾束黃色、綠色的激光束指向天空深處。這不是普通激光筆發(fā)出的光，而是集合了多種先進(jìn)探測的多波段多大氣成分主被動(dòng)綜合探測系統(tǒng)（APSOS）正在開展觀測。

在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡稱基金委）國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)支持下，由中科院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）牽頭的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過長達(dá)6年的工作，完成了該系統(tǒng)的研制。不久前，基金委組織儀器測試專家組對APSOS系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試。專家組認(rèn)為，系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)測指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院院士呂達(dá)仁告訴記者：“APSOS是迄今為止最為全面的在垂直方向上對全大氣層多要素進(jìn)行觀測的系統(tǒng)，探測能力在未來5至10年內(nèi)將保持國際同類系統(tǒng)的前沿水平。”

積累多年的科學(xué)問題

“1956年，臺(tái)風(fēng)席卷上海，把一個(gè)幾十噸重的鍋爐吹到空中移動(dòng)了100米再砸到地上。”在回答“為什么要做APSOS系統(tǒng)”時(shí)，呂達(dá)仁從60多年前的故事開始講起。

現(xiàn)代大氣物理學(xué)在約一個(gè)半世紀(jì)前就建立起來。空氣的流動(dòng)形成風(fēng)，熱空氣往上走，到一定高度水汽凝結(jié)，變成云，最后形成雨、雪等天氣。“過去百年，大氣科學(xué)的進(jìn)展在很大程度上依賴于對大氣層的全球性長期監(jiān)測，其中包括以自動(dòng)氣象站網(wǎng)為代表的‘地基直接探測和以衛(wèi)星為代表的‘天基遙感探測。”呂達(dá)仁說。

當(dāng)前，氣候變化、環(huán)境變化和人類活動(dòng)對氣候、環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面效應(yīng)影響著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。在大氣物理學(xué)家看來，對自然過程與人類活動(dòng)共同作用所導(dǎo)致的地表系統(tǒng)變化、大氣過程變化及其驅(qū)動(dòng)過程的定量描述，成為應(yīng)對上述問題的科學(xué)基礎(chǔ)。

研制一套能在垂直方向上對全大氣層多要素進(jìn)行長期連續(xù)觀測，且具備高垂直分辨率、高時(shí)間分辨率的系統(tǒng)，這個(gè)想法在呂達(dá)仁和同事的腦海中醞釀多年。2012年，他們?nèi)缭敢詢敗；鹞瘑?dòng)了國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)，APSOS是首批資助的9個(gè)項(xiàng)目之一，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)9300萬元，由大氣所牽頭承擔(dān)。

“透視”110公里大氣層

隨后6年，大氣所聯(lián)合國內(nèi)6家科研單位開展APSOS的研制工作。據(jù)了解，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“國內(nèi)首次”：將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于地基大氣探測領(lǐng)域，將地基測云雷達(dá)由Ka波段上升到W波段，同時(shí)無縫隙探測對流層和平流層大氣臭氧濃度廓線，實(shí)現(xiàn)多套激光雷達(dá)共享組合望遠(yuǎn)鏡接收及焦平面空間復(fù)用技術(shù)等。

正是這些高科技手段“打通”了近地面至110公里高度的大氣層，使科學(xué)家能獲得溫度、風(fēng)場、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮、二氧化硫、云和氣溶膠等多個(gè)要素的觀測數(shù)據(jù)。

呂達(dá)仁介紹道：“APSOS將重點(diǎn)關(guān)注大氣層的兩個(gè)過渡區(qū)域。”第一是對流層頂，位于距地表10公里至20公里處，臭氧層對太陽紫外輻射的吸收使得這一區(qū)域的溫度隨著海拔高度而上升，科學(xué)家稱之為“逆溫”。“了解這一高度的大氣有助于理解地表活動(dòng)和人類活動(dòng)對大氣影響的向上輸送過程。”呂達(dá)仁表示，“這將為我們?nèi)蘸蠼⒑透倪M(jìn)數(shù)值預(yù)測模型提供依據(jù)。”

第二個(gè)過渡區(qū)域則是中間層頂，位于距地面70公里至90公里處，是從中性大氣到電離層、大氣從均勻分布到非均勻分布的過渡區(qū)。科學(xué)家將利用激光雷達(dá)探測這一區(qū)域的大氣溫度和風(fēng)場分布，利用太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀來獲得這一區(qū)域的水汽、臭氧等成分的分布特征。

既煩瑣又艱苦的高原工作

回顧6年時(shí)光，呂達(dá)仁用“既煩瑣又艱苦”來描述。煩瑣，體現(xiàn)在APSOS系統(tǒng)的復(fù)雜性上。“比如，我們采用了多臺(tái)激光雷達(dá)，世界上很少有一套系統(tǒng)能夠同時(shí)擁有這么多波長、瞄準(zhǔn)這么多探測目標(biāo)的激光雷達(dá)。”他說。

針對激光雷達(dá)如何實(shí)現(xiàn)兩米等效口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收的問題，起初，考慮到國內(nèi)廠家主要生產(chǎn)口徑1米的鏡坯，項(xiàng)目組計(jì)劃采用3臺(tái)激光雷達(dá)共用7個(gè)1米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過多次論證，科學(xué)家放棄了這個(gè)方案。

該項(xiàng)目科學(xué)家、大氣所研究員潘蔚琳解釋道：“1米的鏡坯雖然容易找到，但組合起來調(diào)試難度大，任何機(jī)械抖動(dòng)以及由于熱脹冷縮效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變化都會(huì)直接影響激光雷達(dá)的整體探測能力，還需要考慮避免光學(xué)信號(hào)之間的相互串?dāng)_。”

2014年，研究團(tuán)隊(duì)與中科院一家天文儀器公司開展技術(shù)攻關(guān)，采用4個(gè)1.2米口徑望遠(yuǎn)鏡的激光雷達(dá)接收方案，突破了非共焦組合式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)和多光纖、多波長的空間分光技術(shù)，極大提高了激光雷達(dá)的工作穩(wěn)定性。

2017年9月，APSOS系統(tǒng)在安徽淮南完成聯(lián)調(diào)后，整體入駐西藏羊八井國際宇宙線觀測站。研究團(tuán)隊(duì)在高原的艱苦工作也從此開始。“羊八井海拔4300米，本來就缺氧，加上我們的大多數(shù)儀器需要值班人員在夜間通宵觀測，”去過南極和北極的潘蔚琳表示，“‘第三極的工作更具挑戰(zhàn)性。”

青藏高原大氣中的許多過程研究將隨著APSOS項(xiàng)目的進(jìn)展不斷展開，科學(xué)家對此充滿期待。

（本文轉(zhuǎn)自《中國科學(xué)報(bào)》）