看到地球變綠的那兩顆衛(wèi)星

文/李宇飛

▲ 全球綠化趨勢

近期，一則來自美國宇航局（NASA）的消息著實讓我們興奮了一把。這則消息稱，根據(jù)發(fā)表在《自然·可持續(xù)發(fā)展》雜志上以《中國和印度通過土地使用管理為綠化地球作出貢獻》為題的一項最新研究，世界比20年前變得更綠了。自2000年到2017年，全球綠葉面積大約增加了5%，大約540萬平方公里，相當(dāng)于一個亞馬遜熱帶雨林的覆蓋面積。而最為令人驚訝的是，中國以僅占全球6.6%的植被面積，卻貢獻了全球25%的綠葉面積增加量，貢獻比例居全球首位。這是一項驚人的發(fā)現(xiàn)，因為一般認(rèn)為人口眾多的國家，經(jīng)常會過度開發(fā)，導(dǎo)致土地退化，綠化面積減少。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)為全球變綠研究提供基礎(chǔ)

我們知道，目前全球面臨的一個重大問題就是人類過量排放二氧化碳等溫室氣體所導(dǎo)致的全球變暖。科學(xué)家在20世紀(jì)90年代中期首次注意到了NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的地球綠化現(xiàn)象。他們開始認(rèn)為這是由于氣候變暖和大氣中增加的二氧化碳造成的。2013年，澳大利亞科學(xué)家在美國《地球物理研究通訊》上發(fā)表文章，證實了二氧化碳施肥效應(yīng)的存在。科研人員在去除氣溫、降雨量、光照和土地等可能的影響因素后，發(fā)現(xiàn)1982年至2010年間，北美、澳大利亞內(nèi)陸、中東以及非洲等干旱區(qū)域有11%的植物覆蓋率增長與這一效應(yīng)有關(guān)。

但是通過長期追蹤地球植被覆蓋總面積及其隨時間的變化情況，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)人類對于地球的綠化也有巨大的貢獻，尤其是中國和印度境內(nèi)的綠化帶最為醒目。最新研究發(fā)現(xiàn)，全球1/3的植被正在變綠。葉面積以每10年2.3%的速率增加。全球2/3的變綠量來自森林和農(nóng)作物，并且人口聚集的溫帶貢獻了全球最多的變綠量。盡管中國和印度僅占全球陸地面積的9%，但中國和印度兩國占了1/3的貢獻量。尤其需要指出的是，中國變綠的過程中，森林和農(nóng)用地分別貢獻了42%和32%；印度主要是農(nóng)用地變綠，貢獻了82%，森林只有4.4%。

中國和印度的例子告訴我們，人類活動可以直接影響地球的植被面積，人類活動應(yīng)該被納入氣候模式的研究之中，這樣有助于科學(xué)家更好地進行地球活動的預(yù)測，從而引導(dǎo)人類在解決氣候變化和污染問題時，作出更加明智的決策。北半球的大規(guī)模植樹造林護林活動更加顯現(xiàn)了人為因素的重要性。比如在中國，在葉面積指數(shù)的增速方面，人為管理的森林增速比沒有人為管理的森林增速大53%；在樹木覆蓋率的增速方面，有人為管理的森林增速比沒有人為管理的森林增速大29%。

另外農(nóng)業(yè)效率的提高，也在全球陸地植被變綠中起到了主導(dǎo)地位。農(nóng)作物貢獻了全球1/3的變綠量，且變綠的聚集群與農(nóng)作產(chǎn)量聚集群高度吻合。人為土地利用管理是全球變綠的主要驅(qū)動因素。數(shù)據(jù)顯示，通過一年多季、施肥、灌溉等種植模式，農(nóng)作物收獲的增速遠大于農(nóng)業(yè)用地面積的增速。中印兩國在農(nóng)作物產(chǎn)量上的增加尤為明顯。相比于2000年，谷物、蔬菜、水果等農(nóng)作物的產(chǎn)量增加了35%～40%。

全球變綠的結(jié)果確實令人興奮，但仔細想起來，如果沒有長期的、全面的對全球綠化情況的觀測，獲得這樣的研究結(jié)果基本上是不可能的。而能夠年復(fù)一年方便地開展這樣的工作，就非天上的衛(wèi)星不可了，尤其是一些專門用于進行全球氣候變化監(jiān)測的衛(wèi)星，那更是功不可沒。NASA衛(wèi)星長達20年的數(shù)據(jù)記錄，給全球變綠這項研究提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。就讓我們來認(rèn)識一下它們，看看它們所做出的豐功偉績吧。

“土”和“水”

首先要提到的當(dāng)然應(yīng)該是直接為此項研究貢獻力量的衛(wèi)星，那就是NASA的TERRA和AQUA衛(wèi)星。TERRA在拉丁語中是“土地、地球”的意思，AQUA在拉丁語中是“水”的意思。兩顆衛(wèi)星分別著重對地球土圈和水圈進行觀測。

▲AQUA衛(wèi)星

▲TERRA衛(wèi)星

隨著科學(xué)界對全球氣候變化研究，以及全球氣候變化對人類生存環(huán)境影響的研究逐步走向深入，為了加強對地球表層陸地、海洋、大氣，以及它們之間相互關(guān)系的綜合性的科學(xué)研究，NASA自1991年起開始了對地觀測系統(tǒng)（EOS）計劃。這個計劃分三個階段：第一階段為準(zhǔn)備工作階段（1991－1998年）；第二階段為全面的對地觀測階段（1999－2003）；第三階段為新一代更為細致的對地觀測階段（2003年以后10年）。EOS計劃重點觀測和研究領(lǐng)域包括：水與能量循環(huán)，海洋，大氣化學(xué)，陸地表面，水和生態(tài)系統(tǒng)過程，冰川和極地冰蓋以及固體地球。

作為EOS計劃系列對地觀測衛(wèi)星中的重要組成部分，TERRA和AQUA衛(wèi)星分別于1999年12月18日和2002年5月4日成功發(fā)射，目前均處于正常運轉(zhuǎn)中。

值得一提的是，TERRA衛(wèi)星的名字還是由一名高中生起的呢。那是1998年春天，即衛(wèi)星發(fā)射的前一年，由NASA和美國地球物理聯(lián)合會共同發(fā)起了衛(wèi)星命名征集活動。征集的范圍限制在全世界8～12年級（初中二年級至高中三年級）的學(xué)生。最終密蘇里州圣路易斯市高中三年級學(xué)生薩沙·瓊斯用她那充滿了對地球母親無限感激、熱愛和高度責(zé)任感的字句，感動了評選委員會的全體評委。薩沙及其父母因此獲得了到衛(wèi)星發(fā)射基地觀看衛(wèi)星發(fā)射過程的全部資助，薩沙所在的學(xué)校也因此獲得了一臺計算機和可以獲取TERRA衛(wèi)星影象數(shù)據(jù)的全套軟件。

TERRA衛(wèi)星是美國、日本和加拿大合作發(fā)射的衛(wèi)星。TERRA衛(wèi)星的發(fā)射成功標(biāo)志著人類對地觀測新的里程的開始。NASA在介紹TERRA衛(wèi)星意義時采取的比喻是：“如果把地球比作一位從來沒有做過健康檢查的中年人的話，TERRA就是科學(xué)家對具有45億年歷史的地球的健康狀況第一次進行全面檢查和綜合診斷的科學(xué)工具?！?/p>

TERRA沿太陽同步極地軌道運行，高度為705公里。它在早上當(dāng)?shù)赝粫r間經(jīng)過赤道，此時陸地上云層覆蓋為最少，它對地表的視角的范圍最大。TERRA的軌道基本上是和地球的自轉(zhuǎn)方向相垂直，所以它拍攝的圖像可以拼接成一幅完整的地球總圖。通過分析這些圖像數(shù)據(jù)，有助于科學(xué)家認(rèn)識全球氣候變化的起因和發(fā)展，了解地球氣候和環(huán)境是如何作為一個整體相互發(fā)生作用的。由于TERRA衛(wèi)星在每日地方時上午10：30時過境，因此也把它稱作地球觀測第一顆上午星。

▲ 加州火災(zāi)圖像

TERRA衛(wèi)星上共載有5個對地觀測傳感器，能同時采集地球大氣、陸地、海洋和太陽能量平衡等信息，它們分別是：云與地球輻射能量系統(tǒng)測量儀，中分辨率成像光譜儀，多角度成像光譜儀，先進星載熱輻射與反射測量儀，對流層污染測量儀。

2002年發(fā)射的AQUA衛(wèi)星是美國、日本和巴西合作的多功能地球觀測衛(wèi)星，主要承擔(dān)獲取關(guān)于地球水循環(huán)信息的任務(wù)，包括海洋海水蒸發(fā)、大氣中的水蒸氣、云層、降水、土壤水分、海冰、陸冰，以及陸地上的積雪和冰的各種數(shù)據(jù)和信息。AQUA衛(wèi)星在數(shù)據(jù)采集時間上與TERRA形成補充。它也是太陽同步極軌衛(wèi)星，每日地方時下午1：30過境，因此稱作地球觀測第一顆下午星。

AQUA衛(wèi)星上共載有6個對地觀測傳感器，分別是：云與地球輻射能量系統(tǒng)測量儀，

中分辨率成像光譜儀，大氣紅外探測器，先進微波探測器，巴西濕度探測器，地球觀測系統(tǒng)先進微波掃描輻射計。

品質(zhì)卓越的載荷

從TERRA和AQUA兩顆衛(wèi)星的傳感器配置來看，它們都配備了中分辨率成像光譜儀MODIS，這就是本次全球變綠研究數(shù)據(jù)的主要來源。MODIS是美國EOS計劃中用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器，用于獲取陸地和海洋溫度、初級生產(chǎn)率、陸地表面覆蓋、云、汽溶膠、水汽和火情等目標(biāo)的圖像。

MODIS可以用36個光譜波段獲取圖像數(shù)據(jù)，光譜范圍為0.4微米～14.4微米，輻射分辨率達12位，其中2個通道的空間分辨率達250米，5個通道為500米，另29個通道為1000米。利用這些光譜數(shù)據(jù)，可以獲得地表反射率、地表溫度、地表覆蓋、植被指數(shù)、溫度異常/火產(chǎn)品、葉面積指數(shù)光合有效輻射分量、總初級生產(chǎn)力等數(shù)據(jù)。

▲ 斯瓦爾巴群島消失的海冰

在TERRA和AQUA衛(wèi)星的配合下，TERRA在地方時上午過境，AQUA在地方時下午過境，加上晚間過境數(shù)據(jù)，對于接收MODIS數(shù)據(jù)來說可以得到每天最少2次白天和2次黑夜的更新數(shù)據(jù)。這樣高的數(shù)據(jù)更新頻率，對實時地球觀測和應(yīng)急處理（例如森林和草原火災(zāi)監(jiān)測和救災(zāi)）有極大的實用價值。

2018年，NASA決定將TERRA和AQUA這兩顆衛(wèi)星從初次運行到如今獲得的近20年地球影像資料全部公開，公眾可在個人電腦上方便地瀏覽和探索地球的滄桑巨變。許多可用的圖像都在觀測3小時內(nèi)更新，基本上顯示了整個地球當(dāng)下的樣子。

地球觀測正在人類生產(chǎn)生活諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越顯著的作用。通過對地球環(huán)境的持續(xù)關(guān)注和研究，我們將更好地回答全球氣候變化問題，更全面、深刻地了解自然和人類對全球環(huán)境變化所起的作用；長期積累的各項數(shù)據(jù)及對其的分析，也將為經(jīng)濟社會建設(shè)、災(zāi)害預(yù)測應(yīng)對、資源開發(fā)利用等提供必要的支持。

此次全球變綠的研究必須要感謝TERRA和AQUA兩顆衛(wèi)星的長壽，因為它們本來的設(shè)計壽命只有6年，卻一直堅持工作了近20年，這才為我們提供了如此全面的反映地球持續(xù)變化的寶貴數(shù)據(jù)。

其他卓越功績

火災(zāi)監(jiān)測

利用TERRA和AQUA衛(wèi)星上一些波段的圖像數(shù)據(jù)，可以獲得地表溫度異常的情況。聯(lián)合國糧農(nóng)組織就利用這些數(shù)據(jù)，啟用了一套名為“全球火災(zāi)信息管理系統(tǒng)（GFIMS）”的新型在線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，可以幫助消防人員及自然災(zāi)害管理人員更快速地做出應(yīng)急響應(yīng)，并改善資源管理。

該系統(tǒng)利用一個免費的網(wǎng)絡(luò)接口，將TERRA和AQUA衛(wèi)星上的圖像傳感器采集到的火災(zāi)數(shù)據(jù)繪制成火災(zāi)地圖和圖像，并進行每日更新。一旦衛(wèi)星運行過某個發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，三小時內(nèi)該系統(tǒng)就可以向相關(guān)人員發(fā)出預(yù)警電郵，詳細告知火災(zāi)的位置和嚴(yán)重程度。該系統(tǒng)的核心就是MODIS，它每一到兩天對全球進行一次掃描，尋找基于火災(zāi)熱輻射的火焰亮度等典型標(biāo)記，剔除由熱帶沙漠等造成的錯誤信息，然后將遙感測得的火災(zāi)數(shù)據(jù)傳送回NASA戈達德空間飛行中心的MODIS快速響應(yīng)小組，再由小組成員對數(shù)據(jù)進行處理，最后繪制成動態(tài)的火災(zāi)圖像。

2018年11月8日，幾乎就是在同一天之內(nèi)，美國加州連續(xù)發(fā)生了多場大規(guī)模的山林大火，其中尤以北加州的Camp Fire和南加州的 Woolsey Fire最為嚴(yán)重。在大火發(fā)生之后，TERRA衛(wèi)星就投入到了火情的監(jiān)控之中，利用所載的MODIS拍攝了發(fā)生在薩克拉門托谷地Camp Fire的自然彩色圖像。有了這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究人員借助煙霧模型分析，分析出煙霧還在繼續(xù)向西擴散。

海冰監(jiān)測

2016年3月14日，AQUA衛(wèi)星上的MODIS為北極中部地區(qū)拍攝了第一張 “可視”衛(wèi)星圖像，呈現(xiàn)了這一天位于該地區(qū)斯瓦爾巴群島北部的“真實色彩”。

研究人員通過衛(wèi)星圖像對斯瓦爾巴群島的海冰狀況進行了觀察和估量，發(fā)現(xiàn)海冰在逐年減少。他們推測，弗拉姆海峽、巴倫支海和格陵蘭海等地區(qū)的高溫和強風(fēng)對海冰消失有潛在影響。