已迈向深空的我们,为什么还研究高空大气?

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  2020年是各国航天活动活跃度高涨的一年。太阳系里的探测活动热热闹闹的开展着,我国的航天器也在短短几个月的时间里,先后到访火星和月球,甚至带回了“土特产”。地面上的观测活动也硕果累累,“中国天眼FAST”迎来了服役的第4个年头,迄今发现脉冲星超240颗,产出高水平论文40余篇,不少报道都用“井喷”一次来形容中国天眼的高效率。

  在不断探索深空的同时,还有一批科学家希望能够填补另一空间研究的空白,即从距离地面10公里至数百公里高度区间内的大气空间,也就是通常所说的“高空大气”。这一区域有什么特别之处?为何很长一段时间内都没能获得长足的研究成果?

  什么是高空大气?

  传统意义上的大气科学主要研究对流层顶以下的范围。对流层高度大概在10公里,但赤道地区有些许例外,由于受到的太阳辐射能量比较大,对流活动上升的高度会比 10公里高一点,而极地则由于受到的太阳辐照能量比较小,高度则低一些。这个高度主要是大气科学研究的范围,而从10公里一直到太阳表面的区域则主要是空间物理的领地。我自己的工作,大部分集中在10公里到几百公里这一范围,称之为“高空大气”。

  通常,我们通过地面上的雷达对高空大气进行探测。雷达发射电磁波,遇到反射物,电磁波被反弹回来,反弹回来的电磁波含有反射物的信息,比如大气的密度、污染物的浓度。如果反射物静止,反弹回来的电磁波的波长是不变的,而如果反弹回来的波长发生变化,我们从中就可以推演出反射物运动的速度。一般,我们通过返回来的能量和多普勒频移,来进行大气里一些要素的密度、成分以及速度的探测。

  举个简单的例子:雨滴大小是毫米和厘米量级,一般可以通过无线电波来探测雨滴的分布、密度、雨强、雨量。但是,10公里以上高空的大气是非常干净的,而大气中分子的大小大概是 10-9、10-10米量级。这种尺度,用传统的微波雷达是无法探测的。因为微波雷达是毫米和厘米量级,遇到10-9和10-10米尺度的物体,电磁波没有反射。换句话说,我们无法通过反射回来的电磁波来了解这个地区的大气状态。这就是过去中高层大气领域在研究活动中遇到的问题。

  为什么要探测高空大气?

  过去我们对高空大气关心的比较少,如果大家去看空间物理的发展历程,会发现很有意思的一点:有两个区域,我们研究的不是太清楚。

  太阳表面虽然离我们很远,但是在地面或者空中,可以利用X射线等手段对太阳进行各种成像。对太阳的爆发活动,人类科技已经能够进行效果比较好的观测了。现在还有更先进的技术:我们可以在太阳附近放一些探测器,来对太阳活动进行直接观测,包括磁场,能量流动等方面。

  在近地面,包括雨滴、雨量等方面,也是很容易观测的。但是有两个区域的观测是很难的。第一个是太阳表面到地球附近的广大区域,这容易理解,因为离我们远,所以很难观测。

  第二个区域就是距离地面几十公里到几百公里的地方。这个高度为什么难以观测呢?高度再高,几百公里甚至上千公里、几千公里、上万公里,都可以通过GPS卫星进行观测。换句话说,只要是卫星能够达到的区域,我们就可以进行直接探测。

  但是大家或许有所耳闻,卫星的高度不能无限降低,降到100公里高度可以吗?不行。因为那里大气密度足够大,卫星受到的阻力比较大,而卫星又不能携带足够多的能量,所以受到大气阻力的影响,卫星会掉下来的。

  在几十到两三百公里的高度,探测气球上不去、卫星下不来,所以这个区域就很难探测,这也是中高层大气领域研究相对滞后的一个非常重要的原因。

  地面附近的风大家能感觉到,非常强烈的风,其速度可达每秒几十米,这时人已经难以承受了。高空大气对于地面上的人来讲是很难直接感知的,但它确是一个流动的大气海洋。由于重力影响,高度越高大气密度就越低,大体上高度每升高16公里,密度就会降低1个量级。而密度越小,对于同样大小的一个驱动,所造成的流动性就越大。高空的风速可达300-600公里/小时。所以说,高空是流动的大气海洋。

  那为什么现在这个区域的研究变得这么重要?这个区域气球上不去、卫星下不来,如果人类不在这个区域活动,那么对其不了解也就没有什么影响。但近些年开始情况有些不一样了,现在这个区域有各种各样的临近空间飞行器,而且如果飞机以后要增速,也必须进入更高的空间。

  除了较大的大气阻力,在这个区域,还有很多部分电离的成分,有很多带电粒子。电磁波穿过此区域,会发生各种各样的扰动,这将影响我们的通讯和导航精度,危及临近空间的安全。随着人类空间活动的不断拓展,开始利用这样一个“不高不低”区域以后,将这个区域内的大气研究清楚就越来越有必要,也越来越紧迫。

  如何探测高空大气?

  最近,随着激光雷达系统的发展,我们终于可以对中高层大气进行探测。过去用微波进行观测,其波长为10-2米,这对分子尺度10-8—10-10米的高空大气是无能为力的。

  激光雷达被认为是目前探测高空大气最有力的手段。雷达发射激光后,激光遇到中性成分会被散射回来,散射回来的能量数据中含有大气密度的信息,而散射回来的频率变化,是大气运动速度的一个表征。

  最具挑战的激光雷达探测

  ——风场探测激光雷达

  探测能量是比较容易做到的,发射一束激光,返回来的能量有多少,是比较容易测量的。但是我们难以想象,现在世界技术发展这么快,但天气仍然是很难精确预报的,我们缺少动力学参数,不清楚大气在往哪跑、怎么跑。过去只能在地面做零星的观测,截至目前,国际上还没有一个全球范围大气风场的测量技术。欧洲和美国在推进星载,通过卫星星载测大气的风场。

  大气有云有雨的时候好测,通过微波雷达就可以测,而晴空时,即便对流层大气密度很高,微波的回波能量也很小,所以必须通过激光雷达来测。但是激光雷达也有一定的问题。

  气体分子有热运动,所以打出一束光时,返回来的光会有频率展宽,这个展宽大概是几G赫兹。如果大气再一动,有什么效应呢?整个展宽会平移。比如,气体分子在移动的时候,整个频率会频移,向高频方向运动,两个峰之间错了位,中间峰的变化量就是风场导致的。但是任何一种探测方式下,这两个峰都不是完全理想的形状,它在不断的抖动,所以就无法知道峰偏移了多少。进行直接的风场探测是比较难的。

  有一种解决方法是不直接测峰,通过标准距的方式,在另外两个频率上用标准距锁定,一旦有风场变化,通过另外两个标准距的能量就可以知道发生变化了。假设中间没有风场,两个标准距提供的能量是一样的,而如果发生偏移,透过的能量就有差别了。利用能量的差别来测量风场的变化,这就是所谓的“双边缘技术检测微小激光频率移动”。

  利用这个办法,可以测出全球的风场。图上这套设备是我们在“863计划”支持下完成的——自主的高空风场车载测风激光雷达,可以测量60公里高度的大气风场。

  大气探测的“量子”技术

  我的研究团队和潘建伟、张强等量子方面专家团队的合作得益于中国科大的特色交叉学科研究与建设项目。因为传统的激光雷达有一个无法解决的难题——白天如何观测。白天太阳光太强,会极大降低激光雷达的信噪比。

  所以为了提高信噪比,之前采用过一种做法是把激光器能量做得越来越高,把望远镜口径做得越来越大,这样就能接收到更多的能量。但是这无疑是非常昂贵的,一米口径望远镜和两米口径望远镜的价格就有巨大的价格差了所以一味地去提高望远镜面积和激光器能量,会有很大局限。这不仅是钱的问题,还会在效果上非常有局限性。对于星载测风雷达来说,在卫星上是不能放很大口径的望远镜的,也不能使用很高能量的激光,激光能量会把光路打坏的。

  所以和张强等人合作后,我们另辟蹊径,提出利用量子探测的激光雷达新思路。举个简单的例子,在大气探测里,一般最好是用红外光。因为太阳光里红外能量部分比较少,使用红外光,太阳光产生的噪声比较小。但因为目前红外探测器性能比较差,导致红外返回来很难探测。我们就利用单光子频率转换技术,把红外光转换成863纳米的光,在转换的过程中同时用单光子操作,就可以把光频附近的太阳光压掉,这样整个信噪比都可以提高。最后在同样的望远镜大小和同样的激光器的面积下,新技术将探测距离增加了3倍。

  向更高的高度拓展

  激光雷达可以探测70公里、80公里、90公里,但这还远远不够。目前国际上还没能做出来能在几百公里高度上工作的激光雷达。但是这又很关键,因为太阳风和地球空间相互作用以后,会影响到中高层大气,这是作为研究人员们之后需要搞清楚的。

  我们国家现在有一个计划“国家大科学工程”,其中之一就是子午工程。我本人是子午工程二期的首席科学家,我们要做的就是在地面上建立各种各样的设备,激光雷达、无线电探测设备等等。这其中,有两个亮点工作是值得提出来的。

  第一个就是在三亚建一个非相干散射雷达,探测几百公里高度大气里的电子和离子浓度,尤其是电子浓度。带电粒子在中心气体里运动,会改变中心气体的状态,所以这是非常重要的工作。

  第二,我们正在做全球第一台阵列式大口径氦激光雷达。这是我们子午工程里最核心的设备之一,也是子午工程里我个人觉得最有原创性的工作,大部分设备都是我们完全自主可控的设备。

  如果我们能够做出来,我们国家将是国际上首个能探测到一千公里高度的中性氦原子的国家,这将填补科学在200公里以上热层中性大气认知上的空白。这项工作离不开科研人员们的默默研究,更需要更多学科领域学者们的关注,群策群力,共同攻坚。

  注:本文内容根据窦贤康院士于墨子沙龙现场演讲编译整理而来。

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