為探知大氣圈內(nèi)變化無窮的奧秘，2012年，國(guó)家自然科學(xué)基金委首批資助的國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)——多波段多大氣成分主被動(dòng)綜合探測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱APSOS）啟動(dòng)。
該項(xiàng)目近日順利結(jié)題。在海拔4300米的西藏羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站，APSOS已進(jìn)入工作狀態(tài)。
夜晚，一束束綠色、黃色的激光射向天空，仿佛一支超級(jí)“激光筆”，探照大氣中溫室氣體和污染氣體的時(shí)空變化。
APSOS項(xiàng)目 同時(shí)觀測(cè)多個(gè)大氣要素
APSOS的科學(xué)目標(biāo)是獲得從近地面到110千米區(qū)間的大氣溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)、大氣溫室氣體與污染氣體、云和氣溶膠的高垂直分辨率觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣垂直結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變化與成分輸送的研究。
過去百年，科研人員主要以計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法為支持來進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)，而無論是模型的建立還是預(yù)測(cè)方法的研究均離不開對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過程與變化的全球性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)來自各國(guó)建立的氣象臺(tái)站及遙感探測(cè)包括雷達(dá)、衛(wèi)星等。那么，APSOS又有何獨(dú)特之處？
“我們的核心科學(xué)目標(biāo)是獲得控制大氣運(yùn)動(dòng)過程的重要因子，理解其中的相互關(guān)系和耦合過程，用定量規(guī)律描述它，形成一個(gè)數(shù)字模式。”中科院大氣物理研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士呂達(dá)仁在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。
如何獲取這些影響因子的相關(guān)數(shù)據(jù)？“科研人員發(fā)展了很多觀測(cè)技術(shù)和手段，世界各國(guó)的衛(wèi)星也做了很多工作，提供了很多數(shù)據(jù)，但是在一個(gè)定點(diǎn)如此高分辨率地同時(shí)觀測(cè)多個(gè)大氣要素的目前還沒有。”呂達(dá)仁說，“與此同時(shí)，在垂直方向上對(duì)全大氣層的主要要素獲取較高時(shí)間和空間分辨率的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)資料，對(duì)更清晰地認(rèn)識(shí)氣候、環(huán)境變化所依托的大氣機(jī)理至關(guān)重要。”
APSOS項(xiàng)目正是要彌補(bǔ)這方面的不足，同步獲取全大氣層多成分和多要素資料。這些要素包括溫度、風(fēng)場(chǎng)、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮、二氧化硫、云和氣溶膠（氣溶膠指的是大氣中的固態(tài)和液態(tài)懸浮顆粒物，其實(shí)我們平時(shí)所說的霧霾和沙塵都屬于氣溶膠的一種）。
這些要素都在氣候和環(huán)境變化中扮演著重要角色。大家最關(guān)心的PM2.5與人類健康息息相關(guān)；氣溶膠也對(duì)氣候變化、大氣物理過程、環(huán)境科學(xué)和光的大氣傳輸都有十分重要的影響；二氧化碳的排放則是世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)；二氧化氮和二氧化硫也與環(huán)境污染密不可分。
發(fā)射激光 精準(zhǔn)“切割”中性大氣層
地球被一層很厚的大氣層包圍著。大氣層按高度分為對(duì)流層（距地約10—20公里）、平流層（距地約20—50公里）、中間層（距地約50—85公里），在此之上為熱層（上界約為800公里）和逃逸層。熱層的大氣因受太陽(yáng)輻射，溫度較高，氣體分子或原子大量電離，能導(dǎo)電，故又稱為電離層。
“我們把熱層以下這些不帶電的大氣層稱為中性大氣層，APSOS系統(tǒng)就是圍繞中性大氣層來進(jìn)行探測(cè)的。”呂達(dá)仁說，“因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的研究可打通大氣物理和空間物理研究?jī)?nèi)容，能更深刻探析人類活動(dòng)與大氣運(yùn)動(dòng)、氣候變化等之間的關(guān)系。”
APSOS也是全球首套中性大氣層多成分、多要素的大型地基主被動(dòng)綜合探測(cè)系統(tǒng)。它由5臺(tái)激光雷達(dá)、1臺(tái)毫米波測(cè)云雷達(dá)、1臺(tái)太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀和1臺(tái)組合望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的大型儀器設(shè)備組成。從空中俯瞰，以組合望遠(yuǎn)鏡所在建筑物為中心，裝有設(shè)備的集裝箱方艙分布四周，整個(gè)系統(tǒng)成“米”字形。
其中，激光雷達(dá)作為主動(dòng)式光學(xué)遙感探測(cè)設(shè)備，具有高時(shí)空分辨率和高探測(cè)精度等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理是發(fā)射激光到大氣中，激光光束與大氣不同物質(zhì)發(fā)生相互作用，散射回來的光信號(hào)由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收，再被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)?；诓煌募す饫走_(dá)原理，通過處理接收到的信號(hào)就能得到不同探測(cè)物質(zhì)的含量，通過多普勒效應(yīng)獲得大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)。而系統(tǒng)中的毫米波測(cè)云雷達(dá)則以靈敏探測(cè)高卷云見長(zhǎng)。
另外，多臺(tái)激光雷達(dá)共用一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，采用4塊1.2米直徑的鏡面拼接，使其等效口徑達(dá)到2米，大幅提高了激光雷達(dá)的接收能力，使其成為國(guó)際領(lǐng)先水平的大氣探測(cè)激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡。
系統(tǒng)中唯一的被動(dòng)遙感設(shè)備是一臺(tái)超導(dǎo)輻射波譜儀，工作于太赫茲波段，用于探測(cè)中間層大氣中的水汽、臭氧等溫室氣體的含量。太赫茲波段是目前可開發(fā)利用的最后一個(gè)電磁波段，具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，能夠探測(cè)到更遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。
中科院大氣物理研究所研究員潘蔚琳說，在中性大氣層范圍，APSOS通過發(fā)射激光，每秒打出數(shù)十個(gè)脈沖，就像一把把“劍”把大氣按每幾十米進(jìn)行“切割”，由此精確獲取大氣成分信息，其中包括近年來人們最關(guān)心的PM2.5。
高海拔安置 最大化體現(xiàn)設(shè)備科學(xué)價(jià)值
為什么將系統(tǒng)安置在西藏？“西藏是中國(guó)對(duì)全球氣候變化研究的重點(diǎn)，海拔高更有利于激光雷達(dá)和太赫茲波譜儀的探測(cè)，使得同時(shí)獲取多個(gè)大氣要素探測(cè)結(jié)果的機(jī)會(huì)更多，更能體現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)價(jià)值和資料價(jià)值。”呂達(dá)仁說。
據(jù)了解，已經(jīng)搭建好基礎(chǔ)框架的可視化平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新，并將實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但如此精密的儀器在西藏的長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定運(yùn)行仍存在著一定的挑戰(zhàn)。
“最大的問題是激光器在高原的運(yùn)行，為了獲得高質(zhì)量的信號(hào)，激光器都是最高配置，對(duì)技術(shù)要求比較高。”潘蔚琳說。不過，她表示，維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下，激光器仍可以保持?jǐn)?shù)年的使用壽命。
雖然目前激光雷達(dá)無法在白天和雷雨天工作，但它具備的長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)穩(wěn)定對(duì)大氣多要素進(jìn)行精細(xì)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，還是讓專家對(duì)其發(fā)展充滿期待。
“APSOS系統(tǒng)建成后，不但能夠大幅提升我國(guó)在大氣環(huán)境探測(cè)方面的綜合國(guó)力和技術(shù)水平，還能夠?yàn)榇髿猸h(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和空間安全保障等提供有價(jià)值的觀測(cè)數(shù)據(jù)，有助于對(duì)大氣中新過程、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和理解。”呂達(dá)仁說。
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