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        激光“劍”指南極蒼穹

        2021-12-21 02:45:11黃文濤
        知識(shí)就是力量 2021年12期
        關(guān)鍵詞:極區(qū)中山站大氣層

        黃文濤

        如今,中國載人航天工程進(jìn)入了令人鼓舞的空間站時(shí)代。你可曾想過,地球大氣層和太空的邊界在哪里?航天器在飛出大氣層的旅途中,能感受到怎樣的環(huán)境變化?遙遠(yuǎn)兩極的大氣與其他地區(qū)有什么不同或聯(lián)系?為揭示極區(qū)大氣的秘密,中國科學(xué)家把遙感探測(cè)的激光“劍”裝到了南極中山站,“劍”指蒼穹,銳意探索。

        地球的大氣層為生命的生存提供了氧氣、二氧化碳等必要的化學(xué)物質(zhì),像盾牌一樣阻擋了來自太空的危險(xiǎn)射線和粒子,通過吸收和輻射過程像被子一樣維持著地表適宜的溫度,通過雨雪過程使得水在全球循環(huán)輸送。

        從地球表面向太空延展,大氣層隨著高度的上升有幾個(gè)特點(diǎn)鮮明的區(qū)域。通常來說,從地面往上10多千米,溫度逐漸下降到零下70攝氏度左右,下熱上冷易形成上下對(duì)流;隨后往上到約50千米,溫度逐漸上升到0攝氏度左右,下冷上熱在垂直方向非常穩(wěn)定;然后溫度再次下降,直到約90千米達(dá)到零下110攝氏度左右;接著溫度開始迅速上升。

        不同區(qū)域的溫度差異主要與太陽輻射經(jīng)由地面以及大氣的吸收和輻射過程相關(guān),分別被稱為對(duì)流層、平流層、中間層和熱層。約80~100千米的中間層頂可以看作大氣和太空的邊界。下方大氣以氮分子和氧分子為主,且密度隨高度上升成指數(shù)衰減,99.999%的質(zhì)量都集中在90千米以下(約90%在16千米以下)。

        雖然我們每個(gè)人生活的區(qū)域狹小,最多偶爾坐飛機(jī)在平流層底部“旅行”,然而,包裹著地球的大氣卻是一個(gè)流動(dòng)的整體,不同的圈層之間,不同的區(qū)域之間,都有著緊密的聯(lián)系,相距甚遠(yuǎn)卻息息相關(guān)。極區(qū)光照弱,是全球大氣的冷源和下降區(qū)域,是驅(qū)動(dòng)大氣循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)。

        南極中山站的激光雷達(dá)觀測(cè)艙

        所有設(shè)備在測(cè)試之后都要拆成小件以便運(yùn)輸,再在現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的激光雷達(dá)觀測(cè)艙里重新組裝起來

        為探索地球大氣的秘密,更好地預(yù)測(cè)氣候變化,需要探測(cè)它所有的圈層,也需要在環(huán)境惡劣的極區(qū)開展觀測(cè)。而中間層頂是最難探測(cè)的區(qū)域之一。這個(gè)高度飛機(jī)飛不到,探空氣球夠不著,對(duì)衛(wèi)星來說又太低,只有探空火箭飛行途中能有幾十秒的時(shí)間短暫穿過??茖W(xué)家們后來利用遙感手段從地面上開展探測(cè),更是把設(shè)備搬到了極地。

        在夜空偶爾會(huì)看到明亮的流星,你可否想過它瞬息閃耀的光芒會(huì)留下什么?又會(huì)為探索地球大氣提供怎樣的線索?

        科學(xué)家早在20世紀(jì)20年代就發(fā)現(xiàn)在地球大氣層75~105千米的高度上,穩(wěn)定存在一定濃度的中性的金屬原子,有鐵、鈉、鉀、鈣等等。研究發(fā)現(xiàn),它們?cè)从诿繒r(shí)每刻都在注入地球大氣的流星體(絕大部分為肉眼不可見的微流星),流星體燒蝕揮發(fā)形成煙狀尾跡擴(kuò)散到大氣中,包含有這些金屬原子。由于在不同高度大氣成分有所不同,所在高度高一些,這些原子很快被電離變成離子;高度低一些,它們就經(jīng)由一系列的化學(xué)反應(yīng)生成化合物分子,再聚集成顆粒飄向地面。

        復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)

        20世紀(jì)60年代,第一臺(tái)激光器發(fā)明后,激光光譜學(xué)隨之發(fā)展起來,物理學(xué)家利用激光與物質(zhì)的相互作用來探究物質(zhì)的特性。而在中間層頂高度上天然存在的金屬原子層,為大氣的激光遙感探測(cè)提供了絕好的媒介。到了90年代,科學(xué)家把光譜實(shí)驗(yàn)搬到了大氣這個(gè)巨型的天然實(shí)驗(yàn)室中,發(fā)展了鈉原子多普勒激光雷達(dá)這一主動(dòng)遙感技術(shù),從地面發(fā)射特定波長的激光,激發(fā)鈉原子層,再在地面上利用大口徑望遠(yuǎn)鏡收集、探測(cè)被激發(fā)的鈉原子發(fā)出的熒光,推算出它們所處大氣環(huán)境的溫度和風(fēng)。這些指向天空的激光束,就像“劍”一樣,直指蒼穹,探究著高層大氣的秘密。

        由于地球磁場(chǎng)在兩極地區(qū)貫通地球,源自太陽風(fēng)中的帶電離子受到磁場(chǎng)的約束,主要在兩極地區(qū)穿入大氣層、注入大量的能量和粒子,絢爛的極光便直觀地展示了這一過程。

        中國科學(xué)家在南極中山站利用成像儀、無線電雷達(dá)、磁力計(jì)等開展了長期的極光、電離層、磁層等方面的觀測(cè)研究。近年來又豎起了激光“劍”,用來探測(cè)極區(qū)大氣的溫度、風(fēng)場(chǎng),探索空間天氣活動(dòng)和大氣相互作用。

        ☉現(xiàn)在,在中山站晴朗的夜空中,我們時(shí)常可以看到在靈動(dòng)的極光映襯下,黃色和綠色的激光“劍”與之交相輝映

        我們可以感受一下中山站鈉原子多普勒激光雷達(dá)的復(fù)雜與精密。它擁有3臺(tái)直徑820毫米的望遠(yuǎn)鏡,為了適應(yīng)零下40攝氏度到零上10攝氏度的工作溫度,主鏡用熱膨脹系數(shù)極低的微晶玻璃打磨而成。在一臺(tái)1.3米寬、3米長,重約一噸的光學(xué)平臺(tái)上,安裝著3臺(tái)激光器以及上百個(gè)光學(xué)精密器件。激光雷達(dá)發(fā)射波長589.159納米的黃色激光,其頻率要精確控制在幾兆赫茲以內(nèi),相當(dāng)于百米高樓的高度誤差要控制在1微米左右。它還能利用特殊的磁光器件,把太陽照射下的天空散射的背景光壓制50萬倍以上,可以在白天以及極晝時(shí)開展觀測(cè)。2019年2月部署的這部激光雷達(dá)是第一臺(tái)也是目前唯一一臺(tái)在南極開展中層頂區(qū)域大氣水平風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)的激光雷達(dá)。

        為了探測(cè)更多的大氣圈層,中國科學(xué)家在2020年又部署了基于不同探測(cè)原理的瑞利激光雷達(dá)模塊、拉曼激光雷達(dá)和相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),實(shí)現(xiàn)了對(duì)極區(qū)大氣整體的聯(lián)合探測(cè),是南極洲覆蓋高度最廣、觀測(cè)要素最多的大氣激光雷達(dá)探測(cè)體系。

        隨著社會(huì)和科學(xué)的發(fā)展,人類對(duì)周遭環(huán)境的認(rèn)知從一隅擴(kuò)展到全球的大氣圈、水圈和生物圈,人類的活動(dòng)也開始對(duì)環(huán)境乃至氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。大氣圈這個(gè)牽一發(fā)而動(dòng)全身的復(fù)雜系統(tǒng),與氣候的變遷、人類的命運(yùn)息息相關(guān)。現(xiàn)在,中國科學(xué)家攻堅(jiān)克難,在南極中山站建起激光雷達(dá),探究極區(qū)大氣和近地空間環(huán)境的奧秘,也為提高氣象、氣候模式的準(zhǔn)確性提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

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        大氣層里面有什么
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