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揭秘未来认识地球家园的遥感“星”

2016-07-19 来源:中国青年报
 
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    微卫星发射。6月18日,英国宇航员蒂姆·皮克从国际空间站乘坐“联盟号”飞船返回地球,结束了他在太空驻留6个月的奇妙历程。蒂姆·皮克在太空的6个月期间拍下超过400张惊人的美图。视觉中国供图

    “南方正在遭受暴雨的侵袭,而北方一些地区却干旱肆虐,这是何原因,我们该如何去认识?”

    “灰霾问题困扰人们几年了,其来源是什么,究竟有哪些污染排放物,这些污染物的时空分布特征变化又是如何?”

    尽管地球已经有46亿年了,但是往往以“当局者”身份存在的人类对这个天然家园的认识还十分有限。在前不久举行的第36届国际地球科学与遥感大会上,中外科学家提出了一系列既让人熟悉又感到陌生的问题,其中有的问题至今还没有答案。

    50多年前渐渐兴起的“遥感”技术——一种非接触的、远距离的探测技术,给人类成为地球的“旁观者”提供了新的可能。因这项技术而衍生的“遥感”卫星,则为上述问题的解决提供了一种“看得见”的方案。

    同样是在这个遥感领域最高规格、最大规模、最具影响力的学术会议上,与会科学家透露出该领域目前最前沿的研制方向以及具体计划,中国也不例外。国家航天局副局长吴艳华透露,未来10年,我国将发射包括遥感、通信、导航卫星在内的近百颗卫星,其中,遥感卫星占比超过一半——灰霾卫星、中法海洋卫星、全球水循环观测卫星、高分三号、高分五号等。

    这些“星”将在未来如何影响人类对于地球的认知?中国青年报·中青在线记者采访了与会专家进行解读。

    中法海洋卫星:多度观测,解密海洋

    何谓遥感卫星?国家航天局原局长、中国工程院院士栾恩杰对此有过一个通俗的解释,他用《中庸》里的“致广大而尽精微”来描述:致广大,指遥感卫星登太空之“高”望“远”,看得广大;尽精微,指凭借高空间、时间、光谱、温度分辨率,遥感卫星能抓住物体细小的特征,捕捉细微的变化。

    简单地说,遥感卫星就相当于一个对着地球观测的大眼睛。在对地球进行观测时,科学家们习惯将地球的外部圈层分为大气圈、岩石圈、水圈和生物圈。而针对不同的圈层,有越来越多的遥感卫星“各司其职”,进行观测。

    大会主席、中国科学院国家空间科学中心主任吴季表示,中国现在拥有很多遥感卫星,如气象卫星、资源卫星和海洋卫星,它们在不断为科学家和用户提供地球各方面的数据。这其中,能够直接观测相关灾害的中法海洋卫星“CFOSAT”格外引人注目。

    在探索海洋的路上,使用测量船和地面观测站是人们所熟知的方式,但海洋卫星却有着独特优势。中国科学院院士、复旦大学教授金亚秋告诉记者,由于在“天上”飞着,海洋卫星时刻围着地球观测,能够从全球角度、多尺度地获取遥感数据。

    具体到中法海洋卫星(CFOSAT),它的身上搭载着两位“乘客”:由中方负责的监测海面风场的微波散射计(SCAT)和法方提供的监测海浪高度和方向谱的海波浪谱仪。这两位“乘客”在国际卫星遥感应用史上都是首次“露脸”,这使得它们提供的信息和数据将是全新的,而全新的数据意味着更多未知被探索到的可能性。

    金亚秋举了一个例子,当海面起风时,微波散射计能够立刻测量到回波、辐射量以及温度的变化。而从这些测量值可以推算出海面风场发生了什么变化,以及海风、海浪等级是多少,方向是什么,甚至还可以推算海水盐分的变化。

    除了针对基本物理数据的观测,CFOSAT卫星还将在国际上首次开展海洋风浪相互作用的联合观测。金亚秋说,这将在海洋预报、灾害监测预报和海洋科学研究等方面发挥重要作用。目前,CFOSAT卫星初样阶段的研制工作已经完成,将于2018年正式发射。

    全球水循环卫星:宏观观测,精确数据

    全球水循环观测卫星(WCOM)计划是另外一个备受瞩目的卫星计划,这是国际上第一个对全球水循环关键要素进行系统性综合观测的地球科学卫星计划,可从全局角度观测整个水循环系统,得出更精确的数据,进而推进相关的灾害、水资源分配问题的解决。

    大气圈的水体通过蒸发、水汽输送、降水等方式,将地球的圈层有机联系起来,形成了水循环系统。中科院遥感与数字地球研究所研究员施建成表示,目前南方水灾泛滥,以及很多地方的干旱,都属于水循环特征在发生区域变化所造成的现象。

    但目前来看,在水循环系统的遥感观测领域,对于以降水、洪涝为例的各要素观测和预报的精度都不够高——在观测方面,只知道大的趋势,比如撒哈拉沙漠比较干,南方降雨多一点。精度不高的原因,很大程度上要归结于对水循环这一大的系统缺乏整体的认识。

    根据施建成的说法,目前国际上先进的遥感观测卫星,大多只关注水循环系统中的某一要素。比如,关注降水的卫星,只能描述出卫星过境时降水状况,却难以给出降水带来的土壤水分储存量。他说,由于各环节相互关联,对一个要素参数的优化,通常会把误差带到下一个环节的计算中,这就使得整体地、同步地观测水循环各要素的数据显得十分重要。

    WCOM计划就是这种背景下提出来的。相比对各要素的观测,这颗卫星更关注全球变化背景下,水循环各要素的时空分布特征、变化规律以及对于全球变化的响应和反馈。

    在这一计划中,WCOM卫星身上将安装3个传感器,针对水循环系统内的5个参数进行观测。施建成说,这些数据之间可以互相校正,以达到精确数据的目的。比如,在特别关注土壤水分的参数时,植被的数据和土壤粗糙度的数据也会一起出现。在WCOM三个传感器组合下,各观测要素的精度将会大幅提升,并为水循环相关预报模型的改进提供了新的机遇。如果一切顺利的话,以“整体性”见长的WCOM还将走向更大的“整体”——国际“星座计划”。

    “地球上的科学问题,不是某一个单独的国家可以解决的。”施建成透露,WCOM将与其他国家发射的卫星一起形成“星座”,联合观测全球水循环特征,可使全球不同地区所有的水循环时空分布特征和变化得到更全面的观测。

    一些与此相关的生活、生产问题也有望得到改观。比如,城市水源来自哪儿,每个水源能养活多少居民,这些数据会因为WCOM卫星而显得更加清晰。据透露,该计划目前已进入工程答辩阶段,预计2019年到2020年发射卫星。

    月球对地观测:唯一视角,更多可能

    月球是地球唯一的自然卫星,也是人类目前唯一能够抵达的地外星球。在人造卫星之外,利用这颗自然卫星开展对地球的遥感观测,有着诸多的优势和不可替代性。

    中科院院士、中科院遥感与数字地球所研究员郭华东在接受中国青年报·中青在线记者采访时说,把月球作为对地观测平台,形成对地球宏观科学现象的动态、长周期观测能力,可获取星载(人造卫星)对地观测技术难以得到的科学信息,开辟了全新的对地观测科学与技术方向。

    具体来说,一方面,月基对地观测具有覆盖范围大、平台寿命长、多圈层立体探测等优势;另一方面,月球围绕着地球运动,有一面总是面向地球,是难得的“大卫星”平台资源,是观测宏观科学现象的理想平台。

    此外,月球对地观测有着天然的综合性优势。毕竟,月球表面积远远大于任何的人造卫星,因而在月球上布设遥感器,不用考虑载荷多少、大小,重量等等,可同时置放很多不同类型的遥感器,形成主被动、全波段同步观测的能力,对于观测大尺度地球科学现象——全球环境变化、陆海气相互作用、板块构造及固体潮、三极对比研究等会有深入的认识,并有可能观测到先前未知的科学现象。

    简而言之,月基对地观测的整体性、长期性、稳定性、唯一性四大优势和特点,在郭华东看来,有望给空间对地观测带来一场革命。

    当然,月球为对地观测带来诸多优势的同时,也不可避免地带来一些挑战。首先,它必须建立在对月球成熟开发的基础上,具备形成月球基地的条件;其次,作为地球人共同拥有的自然卫星,国家间的共享共建是十分重要的,这也决定了未来的月基对地观测应该是一个具备相当规模的国际合作科技计划。

    据郭华东透露,目前月基对地观测还处在论证阶段,科学家们在进行相关的预研究。

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