超級「激光劍」：劍指大氣的深層奧秘

9月8日夜，在中科院大氣物理所淮南研究院的院內，三條綠色的激光從形狀如集裝箱的方艙內射出，如同幾柄科幻電影《星球大戰》中的激光劍一般指向蒼穹。

不過，這並非絕地武士的武器，而是科學家用於解開大氣奧秘的新手段——中科院大氣物理研究所牽頭自主研製的全球首套全（中性）大氣層多成分、多要素的大型地基綜合探測系統（APSOS）。

給解鎖大氣奧秘添把新鑰匙

雷暴、颱風、暴雨，2017年這個夏天，頻繁出現的極端天氣正悄然影響著人們的工作與生活。

而過去百年間，對氣候變化的研究，在數值模擬與數值預測的基礎上對大氣層結構、成分、過程與變化的全球性長期監測越來越倚重。若要解析氣候變化的原因，繼續維持和發展以上的大氣探測系統是重要的基礎。

據APSOS首席科學家、中科院院士呂達仁告訴《中國科學報》，長期以來科學家一直用自動站網、遙感探測等手段進行大氣探測，但目前卻沒有一套科學裝置可以實現在垂直方向上對全（中性）大氣層的主要要素獲取較全面的高垂直解析度和高時間解析度的長期連續觀測資料。

「大氣科學發展包括對空間科學的認識，60年以來世界各國衛星已做了很多工作，但是一個定點如此高解析度同時觀測多個大氣要素的目前還沒有。」呂達仁說。而這對更清晰地認識氣候、環境變化所依託的大氣機理至關重要。

而由5台激光雷達、1台毫米波測雲雷達、1台太赫茲超導輻射波譜儀和1台組合望遠鏡構成的APSOS，就為科學家探究全球氣候變化原理的「工具箱」增添了一個長期連續觀測大氣多要素的新工具。

把大氣層「切割」開來

從外觀上看，由4塊1.2米直徑的鏡面拼接而成的組合望遠鏡，盤踞在APSOS系統中央，對不同要素進行探測的方艙則眾星捧月般環繞在它的周圍。這套成放射狀的系統，將採用主、被動遙感結合的方式，對「大氣溫度、濕度變化，大氣污染，大氣運動」等要素進行深度「切割」。

專家介紹，從方艙發出的激光、微波和太赫茲遙感探測信號，與大氣不同物質發生相互作用，散射回來的光信號由光學望遠鏡接收，再被光電探測器轉化為電信號。基於不同的激光雷達原理，通過處理接收到的信號就能得到不同探測物質的含量，還可以利用多普勒效應獲得大氣溫度和風場信息。

最終，科學家關心的大氣要素都會呈現在APSOS綜合數據分析和可視化平台上，成為可被研究用戶直接應用的產品。

中科院大氣物理所助理研究員王一楠介紹稱，已經搭建好基礎框架的可視化平台能夠實現每5秒一個數據的同步更新，並將實現對系統運行情況的遠程控制。

「這套系統的目的是在地面上放多個垂直方向的觀測設備，測量從地表最高到100公里高度大氣要素的垂直分布和時間變化。」呂達仁說。

包裹著地球的大氣層按高度可分為對流層、平流層、中間層、熱層和逃逸層。熱層的大氣因受太陽輻射，溫度較高，氣體分子或原子大量電離，具有導電特性，故又稱為電離層。科學家把距離地面約100公里~800公里的熱層以下不帶電的大氣層稱為中性大氣層，這也是APSOS系統的工作範圍。

中科院大氣物理所研究員潘蔚琳以氣溶膠探測為例介紹稱，在全中性層範圍內，激光一秒鐘打30個脈衝進而形成大氣距離解析度，把大氣每三十米切割成塊，以獲得精確的大氣氣溶膠信息。

「當在一個方向上有足夠多的要素，足夠高的解析度時，相當於知道了形成大氣過程的物理要素、大氣動力要素。」呂達仁強調，這樣的資料積累對大氣研究至關重要。

站得更高 看得更遠

在現場演示會上，APSOS系統得到了國內同行專家的一致認可，並將在演示後奔赴海拔4300米的西藏羊八井國際宇宙線觀測站。

「西藏是中國對全球氣候變化研究的重點，海拔高有機會探測更多的大氣要素，更能體現設備的科學價值和資料價值。」呂達仁說。

但如此精密的儀器在西藏的長時間、穩定運行仍存在著一定的挑戰。

潘蔚琳在氣溶膠方艙內向記者介紹設備工作情況時就指出，高原散熱、激光器維護都將是設備在西藏地區運行期間所關注的問題。

「最大的問題是激光器，為了獲得好信號，激光器都是最高配置，對技術要求比較高。」潘蔚琳說。不過，她表示維護得當的情況下，激光器仍可以保持七八年的使用壽命。

雖然目前激光雷達無法在白天和雷雨天工作，且一套系統只能實現一個點的大氣探測，但它具備的長時間、連續穩定對大氣多要素進行深度探測的優勢，還是讓專家對其發展充滿期待。

呂達仁希望，未來有更多這樣的設備，打造更多可以深度解析大氣信息的「探測點」，為國內外相關研究提供更詳實的數據。

「我們希望在淮南繼續再發展一套，並且我們的資料會向國內外科學家發布，歡迎科學家一起做觀測和加強實驗，這是我們的承諾也是我們的願望。」呂達仁說。

（來源：科學網）

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