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

不過，這并非絕地武士的武器，而是科學(xué)家用于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制的全球首套全（中性）大氣層多成分、多要素的大型地基綜合探測(cè)系統(tǒng)（APSOS）。

給解鎖大氣奧秘添把新鑰匙

雷暴、臺(tái)風(fēng)、暴雨，2017年這個(gè)夏天，頻繁出現(xiàn)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(duì)氣候變化的研究，在數(shù)值模擬與數(shù)值預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過程與變化的全球性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)越來越倚重。若要解析氣候變化的原因，繼續(xù)維持和發(fā)展以上的大氣探測(cè)系統(tǒng)是重要的基礎(chǔ)。

據(jù)APSOS首席科學(xué)家、中科院院士呂達(dá)仁告訴《中國科學(xué)報(bào)》，長(zhǎng)期以來科學(xué)家一直用自動(dòng)站網(wǎng)、遙感探測(cè)等手段進(jìn)行大氣探測(cè)，但目前卻沒有一套科學(xué)裝置可以實(shí)現(xiàn)在垂直方向上對(duì)全（中性）大氣層的主要要素獲取較全面的高垂直分辨率和高時(shí)間分辨率的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)資料。

“大氣科學(xué)發(fā)展包括對(duì)空間科學(xué)的認(rèn)識(shí)，60年以來世界各國衛(wèi)星已做了很多工作，但是一個(gè)定點(diǎn)如此高分辨率同時(shí)觀測(cè)多個(gè)大氣要素的目前還沒有。”呂達(dá)仁說。而這對(duì)更清晰地認(rèn)識(shí)氣候、環(huán)境變化所依托的大氣機(jī)理至關(guān)重要。

而由5臺(tái)激光雷達(dá)、1臺(tái)毫米波測(cè)云雷達(dá)、1臺(tái)太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀和1臺(tái)組合望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的APSOS，就為科學(xué)家探究全球氣候變化原理的“工具箱”增添了一個(gè)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)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(yuǎn)鏡，盤踞在APSOS系統(tǒng)中央，對(duì)不同要素進(jìn)行探測(cè)的方艙則眾星捧月般環(huán)繞在它的周圍。這套成放射狀的系統(tǒng)，將采用主、被動(dòng)遙感結(jié)合的方式，對(duì)“大氣溫度、濕度變化，大氣污染，大氣運(yùn)動(dòng)”等要素進(jìn)行深度“切割”。

專家介紹，從方艙發(fā)出的激光、微波和太赫茲遙感探測(cè)信號(hào)，與大氣不同物質(zhì)發(fā)生相互作用，散射回來的光信號(hào)由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收，再被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。基于不同的激光雷達(dá)原理，通過處理接收到的信號(hào)就能得到不同探測(cè)物質(zhì)的含量，還可以利用多普勒效應(yīng)獲得大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)信息。

最終，科學(xué)家關(guān)心的大氣要素都會(huì)呈現(xiàn)在APSOS綜合數(shù)據(jù)分析和可視化平臺(tái)上，成為可被研究用戶直接應(yīng)用的產(chǎn)品。

中科院大氣物理所助理研究員王一楠介紹稱，已經(jīng)搭建好基礎(chǔ)框架的可視化平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)每5秒一個(gè)數(shù)據(jù)的同步更新，并將實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程控制。

“這套系統(tǒng)的目的是在地面上放多個(gè)垂直方向的觀測(cè)設(shè)備，測(cè)量從地表最高到100公里高度大氣要素的垂直分布和時(shí)間變化。”呂達(dá)仁說。

包裹著地球的大氣層按高度可分為對(duì)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(dǎo)電特性，故又稱為電離層。科學(xué)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(tǒng)的工作范圍。

中科院大氣物理所研究員潘蔚琳以氣溶膠探測(cè)為例介紹稱，在全中性層范圍內(nèi)，激光一秒鐘打30個(gè)脈沖進(jìn)而形成大氣距離分辨率，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(dāng)在一個(gè)方向上有足夠多的要素，足夠高的分辨率時(shí)，相當(dāng)于知道了形成大氣過程的物理要素、大氣動(dòng)力要素。”呂達(dá)仁強(qiáng)調(diào)，這樣的資料積累對(duì)大氣研究至關(guān)重要。

站得更高 看得更遠(yuǎn)

在現(xiàn)場(chǎng)演示會(huì)上，APSOS系統(tǒng)得到了國內(nèi)同行專家的一致認(rèn)可，并將在演示后奔赴海拔4300米的西藏羊八井國際宇宙線觀測(cè)站。

“西藏是中國對(duì)全球氣候變化研究的重點(diǎn)，海拔高有機(jī)會(huì)探測(cè)更多的大氣要素，更能體現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)價(jià)值和資料價(jià)值。”呂達(dá)仁說。

但如此精密的儀器在西藏的長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定運(yùn)行仍存在著一定的挑戰(zhàn)。

潘蔚琳在氣溶膠方艙內(nèi)向記者介紹設(shè)備工作情況時(shí)就指出，高原散熱、激光器維護(hù)都將是設(shè)備在西藏地區(qū)運(yùn)行期間所關(guān)注的問題。

“最大的問題是激光器，為了獲得好信號(hào)，激光器都是最高配置，對(duì)技術(shù)要求比較高。”潘蔚琳說。不過，她表示維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r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(dá)無法在白天和雷雨天工作，且一套系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)的大氣探測(cè)，但它具備的長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)穩(wěn)定對(duì)大氣多要素進(jìn)行深度探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，還是讓專家對(duì)其發(fā)展充滿期待。

呂達(dá)仁希望，未來有更多這樣的設(shè)備，打造更多可以深度解析大氣信息的“探測(cè)點(diǎn)”，為國內(nèi)外相關(guān)研究提供更詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

“我們希望在淮南繼續(xù)再發(fā)展一套，并且我們的資料會(huì)向國內(nèi)外科學(xué)家發(fā)布，歡迎科學(xué)家一起做觀測(cè)和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，這是我們的承諾也是我們的愿望。”呂達(dá)仁說。