飛到青藏高原7千米高空浮空器將大氣成分“盡收眼底”

楊雪

近日，由中科院空天信息研究院研制的系留浮空器——“極目一號(hào)”浮空器在西藏納木錯(cuò)地區(qū)成功挑戰(zhàn)海拔7003米的高度。這也是世界范圍內(nèi)已知的同類型同量級(jí)浮空器駐空高度的世界紀(jì)錄。

執(zhí)行此次科考任務(wù)的是第二次青藏科考水汽傳輸科考分隊(duì)。科研人員在納木錯(cuò)多圈層綜合觀測(cè)站開展區(qū)域水循環(huán)觀測(cè)研究，利用“極目一號(hào)”浮空器綜合觀測(cè)地表至海拔7000米高空的大氣水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和大氣甲烷含量等大氣組分，首次獲得了青藏高原海拔7000米高空的大氣組分變化科學(xué)數(shù)據(jù)。

1.揭示“亞洲水塔”水的來(lái)源

“浮空器上到海拔7000米以上測(cè)大氣中的水汽穩(wěn)定同位素，在世界上是第一次，在青藏高原上更有它的特殊意義。”中科院院士、第二次青藏科考首席科學(xué)家姚檀棟介紹，青藏地區(qū)是西風(fēng)和季風(fēng)相互作用的地區(qū)，而納木錯(cuò)地區(qū)又是西風(fēng)季風(fēng)相互作用的轉(zhuǎn)換地區(qū)，“對(duì)于整個(gè)亞洲水塔的水汽來(lái)源，西風(fēng)和季風(fēng)分別起多大作用，這是個(gè)新問(wèn)題。”

納木錯(cuò)是青藏高原第二大湖泊，位于藏北羌塘高原東南部，湖面海拔4718米。“江湖源頭的水，從大氣的水，到冰川、凍土、湖泊、地下水的轉(zhuǎn)換過(guò)程，我們要搞清楚。”姚檀棟說(shuō)，這次通過(guò)浮空器現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了從東南方向來(lái)的水汽輸送，這超出了過(guò)去對(duì)印度季風(fēng)輸送高度的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

青藏高原作為世界第三極，是僅次于南極、北極的冰雪儲(chǔ)地。亞洲十多條大江大河發(fā)源于此，供養(yǎng)了世界上五分之一的人口。當(dāng)前，第三極大部分冰川正在退縮，湖泊正在擴(kuò)張，氣候變化加速改變著這座“亞洲水塔”。“我們必須搞清楚該區(qū)域雪、冰、水的變化，監(jiān)測(cè)水循環(huán)，以應(yīng)對(duì)各種災(zāi)害、風(fēng)險(xiǎn)。”姚檀棟說(shuō)。

監(jiān)測(cè)第三極水循環(huán)，除了跟蹤氣溫、濕度、氣壓、降水、風(fēng)速等傳統(tǒng)氣象要素外，還需要通過(guò)測(cè)量大氣水汽中氫和氧穩(wěn)定同位素比率來(lái)獲得更多關(guān)于水循環(huán)的信息。“極目一號(hào)”浮空器帶回的相關(guān)數(shù)據(jù)，告訴我們空氣中的水分是如何遠(yuǎn)距離輸送，又在大氣邊界層經(jīng)歷了什么樣的變化過(guò)程，為揭示“亞洲水塔”水的來(lái)源提供了關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)和新理論基礎(chǔ)，也為全球變暖背景下青藏高原水—生態(tài)—人類活動(dòng)鏈?zhǔn)阶兓瘧?yīng)對(duì)策略的提出提供重要科學(xué)理論依據(jù)。

2.可進(jìn)行垂直剖面和駐空觀測(cè)

執(zhí)行此次任務(wù)的“極目一號(hào)”浮空器是高原體驗(yàn)版，體積2300立方米，是我國(guó)同量級(jí)流線型浮空器在青藏高原的首次成功應(yīng)用，可攜帶科學(xué)探測(cè)儀器進(jìn)行垂直剖面和駐空觀測(cè)。

高原體驗(yàn)版的“極目一號(hào)”和普通浮空器有什么區(qū)別？中科院空天信息研究院系留浮空器執(zhí)行隊(duì)長(zhǎng)張?zhí)┤A告訴筆者，“極目一號(hào)”更適應(yīng)高原復(fù)雜的風(fēng)況，環(huán)境適應(yīng)性和抗太陽(yáng)輻照能力更強(qiáng)，平臺(tái)的電磁兼容性能作了特殊設(shè)計(jì)。“操作系統(tǒng)也盡可能半自動(dòng)化，減少人的體力操作。也研制了無(wú)線監(jiān)視系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和地面氣象情況。”張?zhí)┤A說(shuō)。

為更好服務(wù)第二次青藏科考，中科院空天信息研究院將自主研發(fā)“極目一號(hào)”“極目二號(hào)”和“極目三號(hào)”浮空器。這3款浮空器體積從小到大，駐空高度由低到高，系統(tǒng)復(fù)雜和技術(shù)難度也逐漸遞增。

張?zhí)┤A介紹，“極目二號(hào)”是科考定制版，將為第二次青藏科考量身打造，設(shè)計(jì)駐空高度為海拔7000米，將在藏東南魯朗站，藏中部珠峰站、納木錯(cuò)站，藏西部慕士塔格站等多站點(diǎn)通用。“這些不同區(qū)域的海拔、濕度、高空風(fēng)場(chǎng)、太陽(yáng)輻照情況相差很大，需要從多方面綜合考量，拿出最優(yōu)化的方案。”張?zhí)┤A說(shuō)，“極目二號(hào)”將于2020年底研制完成。

“極目三號(hào)”的目標(biāo)是技術(shù)突破，設(shè)計(jì)駐空高度將超過(guò)珠峰高度，到達(dá)9000米。張?zhí)┤A說(shuō)，9000米高空的空氣非常稀薄，風(fēng)又大又亂，氣溫最低可達(dá)零下三四十?dāng)z氏度，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)難度很大。“浮空器體積要在6000立方米以上，電子元器件要適應(yīng)低溫低氣壓環(huán)境，還要防止在干燥空氣中可能產(chǎn)生的靜電積累。而且，還要抵抗每秒20米的大風(fēng)，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)艇體要有相應(yīng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。”張?zhí)┤A說(shuō)，“極目三號(hào)”的平臺(tái)技術(shù)難度、駐空高度、攜帶載荷所取得的可能成果，都有望是空前和突破性的。目前正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試和試驗(yàn)，有望于2021年底研制完成。

3.同步觀測(cè)大氣物理與化學(xué)等參數(shù)

浮空器升空過(guò)程中，多種儀器將同步觀測(cè)大氣物理與大氣化學(xué)等多種參數(shù)。第二次青藏科考水汽傳輸觀測(cè)分隊(duì)介紹，自2017年11月～2019年4月，科考隊(duì)已在藏東南魯朗地區(qū)、珠峰地區(qū)利用同類大型浮空器開展了5次水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和甲烷濃度等科學(xué)參數(shù)的垂直剖面觀測(cè)。

對(duì)于廣袤、高海拔、復(fù)雜多變的第三極地區(qū)來(lái)說(shuō)，過(guò)去沒(méi)有條件，靠科研人員的腳步丈量冰川，只能獲取平面二維數(shù)據(jù);現(xiàn)在，長(zhǎng)得萌萌的浮空器就像在7000米高空上觀測(cè)第三極的眼睛，從第三個(gè)維度追蹤水循環(huán)，監(jiān)測(cè)地面和空中液態(tài)水、冰和水汽的變化。

正是通過(guò)監(jiān)測(cè)水中的穩(wěn)定同位素，將水蒸氣流引向第三極的兩種氣候模式被發(fā)現(xiàn)——印度季風(fēng)和盛行西風(fēng)。印度次大陸在春夏季變暖的時(shí)候，大氣對(duì)流會(huì)將水分從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋吹向北方。這會(huì)在喜馬拉雅山脈等地方形成降水。強(qiáng)西風(fēng)還會(huì)將地中海的水分帶到第三極地域的北部和西部。

水汽穩(wěn)定同位素信息記錄下了冰川表面和大氣每天變熱、變冷的時(shí)候，水分是如何從中釋放到空氣里的。但目前還有很多問(wèn)題待解。中科院青藏高原研究所研究員高晶說(shuō)，例如水在固、液、氣三相間轉(zhuǎn)化對(duì)該區(qū)域水循環(huán)有什么影響;不同過(guò)程在區(qū)域水循環(huán)中所發(fā)揮的作用，還缺乏定量的理解;氣溶膠和冰磧物對(duì)冰川的積累和融化有什么影響等。

水循環(huán)必須從三個(gè)維度進(jìn)行追蹤和監(jiān)測(cè)，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)其變化。浮空器的加盟為回答上述問(wèn)題提供了可能。