地球科學(xué)衛(wèi)星的妙用

我們?cè)?014年第4期談到，本年度是NASA地球科學(xué)任務(wù)大爆發(fā)的一年。有5項(xiàng)大型地球科學(xué)任務(wù)要上天。但衛(wèi)星在地球科學(xué)方面能發(fā)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(guó)何時(shí)能將凱歌應(yīng)用到應(yīng)用上呢？

NASA的政策

NASA局長(zhǎng)博爾登在2014年5月6日發(fā)布的一封公開信中說(shuō)：“NASA在研究和保護(hù)地球環(huán)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(gè)問(wèn)題。NASA的地球科學(xué)衛(wèi)星對(duì)于記錄和理解地球氣候、預(yù)測(cè)氣候變化結(jié)果、在全球分享有關(guān)信息，是非常重要的。在美國(guó)政府發(fā)布的第三份《美國(guó)國(guó)家氣候評(píng)估》中，闡述了氣候變化對(duì)美國(guó)主要地區(qū)和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的影響。NASA的科學(xué)家和數(shù)據(jù)為這份權(quán)威報(bào)告中很多部分的研究作出了貢獻(xiàn)。我們已經(jīng)能夠看到氣候變化對(duì)全球的影響，尤其是通過(guò)我們的衛(wèi)星鏡頭。《美國(guó)國(guó)家氣候評(píng)估》中引用了相當(dāng)多NASA地球觀測(cè)衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，以及NASA跨部門、跨國(guó)研究的成果。這能幫助我們理解極區(qū)冰川、極端氣候、溫度變化、海平面上升和森林生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

那么，NASA具體是如何應(yīng)用這些數(shù)據(jù)的呢？

金槍魚和衛(wèi)星

大西洋藍(lán)鰭金槍魚是墨西哥灣的主要漁業(yè)產(chǎn)品，也是美國(guó)人最喜歡的漁獲。但它和NASA的衛(wèi)星有什么關(guān)系呢？NASA的科學(xué)家最近和漁業(yè)專家合作，用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究墨西哥灣漁場(chǎng)的海水參數(shù)，探索海洋生態(tài)環(huán)境的變化對(duì)金槍魚生長(zhǎng)有什么影響。這些科學(xué)家為了獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)，不再是關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里看衛(wèi)片，他們和漁民一起出海，在漁船上開展研究。

美國(guó)國(guó)家大氣和海洋管理局很早以前就開始用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)研究海洋表面溫度、海洋地形學(xué)和海洋水色，以此對(duì)金槍魚和其他主要魚種的產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

NOAA的專家說(shuō)，金槍魚的生長(zhǎng)很慢，非常容易受過(guò)度捕撈的影響。而從上世紀(jì)70年代以來(lái)，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(wèi)星，打算建立一個(gè)金槍魚產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，盡量避免漁民把幼魚撈上來(lái)。這個(gè)模型可以為今后100年的漁業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

南極冰川的消退不可逆

NASA和加利福尼亞大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)共同研究表明，南極冰川的消退是不可逆的。他們?cè)谀蠘O大陸西部的一處冰蓋上發(fā)現(xiàn)了快速融化的部分，已經(jīng)沒有任何因素可以阻止這處冰蓋最終融入大海。

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）利用歐洲地球遙感衛(wèi)星（ERS-1和ERS-2）分別在1992年和2011年拍攝的雷達(dá)圖像進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這部分冰蓋每年滑入海中數(shù)量相當(dāng)于整個(gè)格陵蘭島冰蓋。這兩顆衛(wèi)星采用了所謂的干涉測(cè)量法，精度非常高。科學(xué)家們用它測(cè)量地表運(yùn)動(dòng)，精度可以達(dá)到7毫米以內(nèi)?？梢杂眠@些圖像來(lái)精確測(cè)量出冰川的移動(dòng)速度。再結(jié)合NASA的“業(yè)務(wù)化冰川”航空監(jiān)視任務(wù)。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(wú)法逆轉(zhuǎn)的。

根據(jù)三條基線進(jìn)行的最新研究表明，南極西部阿蒙森海灣地區(qū)的冰蓋消退“已經(jīng)超過(guò)了可逆轉(zhuǎn)的點(diǎn)”

用GPS測(cè)量積雪

在鋸齒形的山川地帶，如何才能計(jì)算出積雪的質(zhì)量？難道派人去把所有的雪都掃下來(lái)嗎？NASA最近用GPS數(shù)據(jù)做了實(shí)驗(yàn)，測(cè)量精度還不錯(cuò)。

藍(lán)鰭金槍魚的魚苗

衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示出的藍(lán)鰭金槍魚產(chǎn)卵變化模型

由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家道格拉斯·阿古斯領(lǐng)導(dǎo)第一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)研究了部署在加利福尼亞、內(nèi)華達(dá)、俄勒岡和華盛頓州的1069個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站自2006年以來(lái)的數(shù)據(jù)。他們比較了每個(gè)站在每年10月1日到次年4月1日之間的數(shù)據(jù)。前一個(gè)日子是當(dāng)?shù)亻_始下雪的時(shí)間，而后一個(gè)日子是每年積雪最深的時(shí)間。由于積雪的質(zhì)量，地表會(huì)微微下陷。測(cè)量型的GPS接收機(jī)精度可以達(dá)到幾毫米，可以測(cè)出這種微小的變化，具體的結(jié)果是：積雪對(duì)地面的壓力大約相當(dāng)于0.6米深的水。這個(gè)數(shù)字比此前NASA用北美陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)模型所算出的要少。

有了這樣的數(shù)據(jù)，再結(jié)合空間或航空監(jiān)視，水資源管理部門可以在冬天結(jié)束后準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出山地的干燥程度，進(jìn)而預(yù)測(cè)春天發(fā)生山火的可能性。

阿古斯說(shuō)：“研究者們發(fā)現(xiàn)，GPS監(jiān)測(cè)站所測(cè)量到的地面高度升降完全有可能是降水導(dǎo)致的。但本項(xiàng)目中，我們第一次給出了量化的數(shù)字?！?/p>

人們發(fā)現(xiàn)，地面在積雪的作用下，會(huì)像床墊一樣下沉。和床墊一樣，被積雪壓陷的位置也相對(duì)集中，高山積雪會(huì)壓陷地面，而數(shù)十千米外的平原地區(qū)卻很少受到影響。GPS接收機(jī)精確地測(cè)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(fā)生的地區(qū)性和廣度。

阿古斯發(fā)現(xiàn)，加州的GPS監(jiān)測(cè)站主要是為了監(jiān)測(cè)地震而設(shè)置的。如果GPS監(jiān)測(cè)站更加密集一些，測(cè)量的精度還會(huì)更高。

下一步，科研人員將把GPS數(shù)據(jù)與其他航空航天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高對(duì)加利福尼亞州中央山谷帶的地表水變化測(cè)量精度，建立積雪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使水資源管理部門能獲得一種更好的工具來(lái)管理洪水、水力發(fā)電設(shè)施和其他水資源分配工作。

富饒的美國(guó)農(nóng)田

美國(guó)是世界第一大產(chǎn)糧國(guó)，其中很大一部分原因，是美國(guó)擁有世界上最富饒的土地。這是NASA近年來(lái)的研究所發(fā)現(xiàn)的。

我們知道，植物通過(guò)光合作用把陽(yáng)光中的能量轉(zhuǎn)變成含能的化學(xué)物質(zhì)，譬如淀粉和糖，存儲(chǔ)在果實(shí)、根莖和枝葉中。而實(shí)現(xiàn)光合作用的主要物質(zhì)就是葉綠素。葉綠素一方面吸收光能，一方面也會(huì)把其中一部分肉眼看不到的熒光發(fā)射回去。因此，測(cè)量這部分熒光的量級(jí)，就可以推算出某個(gè)地區(qū)植物葉綠素的總量，進(jìn)而推算出這個(gè)地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量。

NASA戈達(dá)德宇航中心的科學(xué)家調(diào)用歐洲氣象衛(wèi)星METOP-A上的“全球臭氧監(jiān)視試驗(yàn)-2”遙感器2007-2011年的數(shù)據(jù)，對(duì)美國(guó)本土的葉綠素進(jìn)行了研究。2012年，他們得出了結(jié)論：美國(guó)的“玉米種植帶”——也就是從俄亥俄州到內(nèi)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(zhǎng)高峰期可以大量吸收二氧化碳，因此對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)二氧化碳濃度的測(cè)量也可以用來(lái)估產(chǎn)。因此，科學(xué)家們正熱烈期待著7月份的“軌道碳觀測(cè)臺(tái)”-2發(fā)射成功。

位于俄勒岡州山上的GPS監(jiān)測(cè)站