中高层大气激光雷达观测与研究:追风掣电识大气

2011-11-28 09:02 来源: 科学时报
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武汉大学研制的拉曼激光和钠荧光激光雷达的发射单元

中国科学技术大学研制的车载多普勒测风激光雷达系统

  地球大气为人类生存和发展提供了非常重要的保障,研究该区域中的大气环境与物理和化学过程,对于航天、国防、人类生活以及地球生物圈的安全至关重要。

识风须追风

  中高层大气研究关注的主要参数包括中性大气的密度、温度和风场、电离成分、微流星体、辐射场等。

  “研究中高层大气的结构和变化特征对于理解发生在这个区域中的基本物理过程,保障航天器和航天活动的安全具有重要意义。”武汉大学教授易帆对《科学时报》记者说,“这些航天器在高层大气环境中能否正常工作,将直接影响通信中继、电视转播、导航定位等。近年来,平流层飞艇由于多用途和低能耗被称为‘多功能绿色航空器’,要保证其在节能条件下稳定运行,该高度上大气风场信息极为关键。因此,这一研究与人类生活密切相关。”

  中高层大气的主要热源来自太阳的极紫外辐射和X射线对氧分子的加热以及高能粒子在大气层中的沉降。太阳活动剧烈时,高能粒子在大气层中沉降事件增加,这会加热高层大气并使之密度上升,从而增加低轨道飞行器的阻力并降低其轨道。此时如果飞行器不能及时变轨,将大大影响飞行器的使用寿命。对于低轨道飞行器来说,中高层大气的密度、成分温度和压力会影响到飞行器的轨道定位、轨道衰减速率和在轨寿命。

  另外中高层大气也会影响到飞行器表面的温度和姿态控制,其化学组分——例如原子氧等——也有可能对飞行器造成化学损伤,另外,飞行器表面的辉光现象也与大气成分有关。所以,设计飞行器时,必须根据其飞行高度和飞行时间研究中高层大气对飞行器的影响,确定携带轨道修正推助器的质量,以及合适选用的表面材料和必要的防护措施。

仪器是利器

  因为中高层大气离人类住居的地表较远,通常需采用无线电和光学遥感探测技术才能实现对其参数的测量。由于起步较晚,我国中高层大气激光雷达探测技术曾经十分薄弱。

  “探测是中高层大气研究的基础和出发点,而我国缺乏大型探测设备和自主观测资料等因素,极大地限制了该学科的发展。”易帆说,“80km至100km高度范围的金属成分是流星消融的产物,其行为(结构和变化)反映了大气和太空的过渡区域中的物理特征。当前人们对金属成分的认识还很肤浅,许多问题都无法解释。”

  由于中高层大气研究对大型仪器的依赖,我国中高层大气观测相对其他领域显得薄弱一些。

  “对中高层大气重要参数,其中包括动力学参数(风速、温度、密度)、化学成分分布和大气辐射的研究都依赖观测仪器。国际上也存在同样的问题。这一领域很多一手资料都是近些年才积累起来的。” 中科院空间科学与应用研究中心研究员徐寄遥对《科学时报》记者说,“观测技术本身就是一个很大的研究课题。因此仪器研制也成为中高层大气研究的重要部分。”

  近年来,在基金委、教育部和科技部的支持下,我国科技工作者自主研发出多种不同功能的大型激光雷达,将我国的中高层大气遥感探测和研究推向国际前沿。

  以武汉大学为主的研究团队经过十多年的艰苦努力,研制出7台大型激光雷达系统,形成了当今亚洲功能最强大的中高层大气激光雷达综合探测平台。他们研制的世界第二台铁波尔兹曼中层顶测温激光雷达系统,在我国首次实现了80km~100 km中层顶大气温度的激光雷达测量。

  该团队完全采用激光雷达技术,实现了对3km~100km高度范围大气温度的同步遥感探测。这是国际上第二次完全采用激光雷达技术,实现从近地面到100km大气温度剖面的测量。这种激光雷达综合探测技术可广泛应用于大气科学研究,对环境变化研究具有重要意义。他们研制出的偏振激光雷达与国际上的星载激光雷达进行了细致的比对,获得了定量的一致,表明他们完全掌握了偏振激光雷达技术。最近,我国继韩国之后,研制出世界上第二台全水谱拉曼激光雷达,能测量云中水的相态(液态或气态),在天气预报中具有重要意义。

  中国科学技术大学研究团队先后建立了米/瑞利/钠荧光双波长激光雷达系统和车载多普勒测风激光雷达系统。该雷达所达到的技术指标与国际上唯一报道的一台车载平流层多普勒测风雷达技术指标相当。

  2010年2月, 中国科学技术大学车载多普勒测风激光雷达系统通过专家鉴定,专家组一致认为:该仪器首次在国内实现了多普勒测风激光雷达对40km高度平流层大气风场的探测,且具有可重复部署性。

  由这些激光雷达构成的探测平台使我国的中高层大气探测能力进入国际前沿。激光雷达观测导致了一些新现象的发现,也给我国的国防、航天和大气空间环境研究提供了数据基础。

有术更有效

  我国学者在过去十年里自主研制出多台不同功能的大型激光雷达系统,这些雷达系统能观测该区域多种大气参数和金属原子层,建立了在国际上有影响的中高层大气观测站。

  “近十年我国在中高层大气研究方面进步很快,发现了一些新现象,在中高层大气观测和模拟研究上也取得了有国际影响力的研究成果,总体上正逐渐逼近国际先进水平。”徐寄遥说,“这得益于我国仪器研制的成果和子午工程等的带动。目前我国在主动光学探测仪器,例如测风测温激光雷达,以及光学干涉仪和全天空气辉成像仪等被动光学仪器的研制方面初步形成规模。”

  在观测研究方面,我国学者利用地球卫星、激光雷达和车载多普勒测风激光雷达等加深了对中高层大气动力学过程的理解。在中层顶金属层激光雷达观测研究,在0km~100 km 高度范围大气温度的激光雷达测量,在车载多普勒测风激光雷达研究,在激光雷达和其他仪器的联合观测方面都取得了较有影响力的成果。