坐“井”觀天 “透視”大氣

甘曉 朱美希

8月底的一個晚上，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（以下簡稱基金委）國家重大科研儀器設(shè)備研制專項支持下，由中科院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）牽頭的科學(xué)家團隊通過長達(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)各項實測指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

該項目首席科學(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?！?/p>

積累多年的科學(xué)問題

“1956年，臺風(fēng)席卷上海，把一個幾十噸重的鍋爐吹到空中移動了100米再砸到地上?！痹诨卮稹盀槭裁匆鯝PSOS系統(tǒng)”時，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)在約一個半世紀(jì)前就建立起來。空氣的流動形成風(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?！斑^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?！眳芜_(dá)仁說。

當(dāng)前，氣候變化、環(huán)境變化和人類活動對氣候、環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面效應(yīng)影響著人類社會的可持續(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、高時間分辨率的系統(tǒng)，這個想法在呂達(dá)仁和同事的腦海中醞釀多年。2012年，他們?nèi)缭敢詢??；鹞瘑恿藝抑卮罂蒲袃x器設(shè)備研制專項，APSOS是首批資助的9個項目之一，項目總經(jīng)費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，該項目實現(xiàn)了多個“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，同時無縫隙探測對流層和平流層大氣臭氧濃度廓線，實現(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、云和氣溶膠等多個要素的觀測數(shù)據(jù)。

呂達(dá)仁介紹道：“APSOS將重點關(guān)注大氣層的兩個過渡區(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和人類活動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)?！?/p>

第二個過渡區(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)?？茖W(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?！氨热?，我們采用了多臺激光雷達(dá)，世界上很少有一套系統(tǒng)能夠同時擁有這么多波長、瞄準(zhǔn)這么多探測目標(biāo)的激光雷達(dá)?！彼f。

針對激光雷達(dá)如何實現(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，項目組計劃采用3臺激光雷達(dá)共用7個1米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過多次論證，科學(xué)家放棄了這個方案。

該項目科學(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，任何機械抖動以及由于熱脹冷縮效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變化都會直接影響激光雷達(dá)的整體探測能力，還需要考慮避免光學(xué)信號之間的相互串?dāng)_?！?/p>

2014年，研究團隊與中科院一家天文儀器公司開展技術(shù)攻關(guān)，采用4個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。研究團隊在高原的艱苦工作也從此開始?！把虬司０?300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》）