3D新視角！NASA衛星給地球拍張「立體照」

知識 11-02

上個世紀六七十年代起，氣象和陸地遙感衛星相繼投入使用。從那之後，人類就開始以全新的俯瞰視角觀察地球。時至今日，衛星圖像能清楚地顯示出街道、房屋，甚至車輛和行人的細節。衍生的各類地圖軟體，也已經成為人們旅遊出行必不可少的工具。

然而，科學家們對此還遠遠不滿足。今年9月15號，NASA發射了名為「愛斯塞特2號（ICESat-2， Ice， Cloud and land Elevation Satellite 2）」的衛星。它將突破平面攝影的限制，為地球拍攝一張清晰的「3D」照片。

圖1 愛斯塞特2號運行想像圖（圖片來源：NASA）

衛星攜帶一台名叫「阿特拉斯（ATLAS，Advanced Topographic Laser Altimeter System）」的激光測高儀，包括主激光器和備用激光器。阿特拉斯可以發射六束亮綠色激光，高能激光束穿透細碎的雲層和霧氣到達地面。當激光被地面物體反射時，衛星上的探測器就能捕獲信號，從而識別出反射物體。通過這種方式，衛星的探測精度可以達到驚人的70厘米——能夠在太空中分辨出街道上跑著的孩童。

愛斯塞特2號的觀測目標主要有三類：冰蓋、陸地和雲層。它重點掃描南北極地的海冰，以及各座高山和高原的冰凍雪層。通過它的監控，我們可以得知冰蓋融化速度、冰川質量、海冰厚度等重要信息。

圖2 此前NASA已開始一項名為Operation Icebridge的飛機探測項目，檢測格陵蘭島及附近的冰層變化。相關數據將用來與愛斯塞特2號比對，以校準衛星。（圖片來源：NASA）

當衛星掠過陸地時，它還將掃描森林、湖泊、濕地以及城市地區的高度。由於愛斯塞特2號有極高的靈敏度，它甚至可以精確辨認出森林地面和伸出樹林的樹冠。通過這些信息，科學家們可以得知一個地區的生物量，並計算出其碳吸收量。當愛斯塞特2號經過城市，它同樣記錄著建築、水庫、河道、農田等人造物的高度信息。

圖3 樹木測高示意圖（圖片來源：NASA）

即便濃雲蔽日，愛斯塞特2號仍然能夠工作。它可以幫助大氣科學家收集關於雲層高度、密度、成分等信息。對地表形態與大氣的進一步了解，還可以讓天體測量學家們完善關於地球本身的信息，從而更好地進行觀測工作。

衛星將始終處於開啟狀態，一旦運行，每天都產生數據。當它飛越加拿大北方的凍原，它可以從解凍區地面的沉降判斷出永久凍土層的融化；在沿海地區，它報告潮汐漲落；在叢林地帶，它記錄植被生長的速度……它還能探測火山爆發和地震帶來的地面運動，甚至是滑坡和雪崩等更小型的災害。

剪輯：劉淵默

圖像來源：NASA"s Goddard Space Flight Center

背景音樂：Illuminate-Dirk Leupolz

這並不是科學家們第一次嘗試拍攝3D地球。2003年，愛斯塞特2號的前身ICESat-1發射升空。相比前輩，愛斯塞特2號在許多方面能力大幅增強。它的激光脈衝頻率高達每秒10000次，是上一代的250倍；激光光束也由1條增加到6條。這使得它繪製的地圖更為精細，覆蓋面積也更廣。

圖4 相比於ICESat-1（左），愛斯塞特2號（右）能以更高的網格密度掃描地面。（圖片來源：NASA）

儘管愛斯塞特2號每個脈衝都能釋放超過20萬億個光子，被地面反射後回到衛星的光子卻只有區區十幾個。為了收集這少得可憐的反饋，衛星攜帶一面直徑80厘米的望遠鏡，並安裝複雜的濾光和光纖裝置。只需捕獲1個光子，就能夠在探測器中生成信號。望遠鏡使用了特殊的鈹合金材料，儘管結構複雜，卻僅重22千克。

愛斯塞特2號的設計周期超過九年，耗資近十億美元。項目科學代表Tom Neumann說：「愛斯塞特2號使用的技術是鐳射激光技術的最前沿。每當我們在設備中應用前沿技術時，總是要花費很長時間測試或調整這些新技術。」

圖5 工程師Tyler Evans與望遠鏡（圖片來源：NASA）

愛斯塞特2號的激光器能在3.3毫秒內完成一次數據收集，反應精確到十億分之一秒，對地球進行一次全身掃描只需91天。這一過程將不斷重複，以生成動態圖像。在它服役期間，我們可以一覽地球春夏秋冬的雪融雪落、樹木枯榮、河流跌宕……

當然，愛斯塞特2號滿足的不只是我們的好奇心，科學家們同樣關心如何將其數據投入使用。早在發射之前，研究者們就公開了若干應用前景：它可被用於定位航道中的冰山，預防火山爆發，建立鳥類棲息地模型……

圖6 博伊西州立大學計劃利用愛斯塞特2號數據改進半乾旱生態系統的碳含量估算方法（圖片來源：BSU）

愛斯塞特2號的研發者們歡迎不同的組織機構參與合作。實際上，它的成果已在多個國家和地區產生了實實在在的價值。在丹麥，風能發電站在它的指導下獲得產能最大化。在巴西和台灣，研究者們分別用其數據建立了洪水預防模型和山洪預警系統。義大利環境研究所發展了使用衛星監控空氣質量的方法；印度林業部門計劃用其評估熱帶雨林生物量；加拿大環境部則將參考它的數據發布天氣預報。在美國本土，科學家們在它的幫助下勘測北極冰層、預防野火、管理草原、監控湖泊水庫、繪製近海珊瑚礁……

這份應用名單可以寫得很長。隨著更多數據的產出，愛斯塞特2號必將顯現出更廣闊的應用前景。

「3D地圖」不僅是看待地球的全新視野，更是一次改善人類生活的良機。

參考資料：

[1] Molly Brown, Vanessa Escobar, Mark Carroll, Tom Neumann, Michael Jasinski. Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) Applications Plan. 2013.

[2] NASA. NASA Science Program Support Office 2016 Annual Report. 2016.

[3] Sabrina Delgado Arias, Lisa Sheffield Guy, Rebecca Heim, Helen V. Wiggins, Molly Brown. White Papers.

https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/white-papers.

[4] NASA. Assessments of Major Projects Report to Congressional Committees. 2018.

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

製作：劉淵默

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