激光“劍”指南極蒼穹

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)觀測艙

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

為探索地球大氣的秘密，更好地預(yù)測氣候變化，需要探測它所有的圈層，也需要在環(huán)境惡劣的極區(qū)開展觀測。而中間層頂是最難探測的區(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，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)，它們源于每時(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、磁層等方面的觀測研究。近年來又豎起了激光“劍”，用來探測極區(qū)大氣的溫度、風(fēng)場，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)?？梢钥吹皆陟`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。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)場觀測的激光雷達(dá)。

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

隨著社會(huì)和科學(xué)的發(fā)展，人類對周遭環(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)?，F(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)。