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系統(tǒng)（APSOS）。

給解鎖大氣奧秘添把新鑰匙

雷暴、臺風(fēng)、暴雨，2017年這個夏天，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，對氣候變化的研究，在數(shù)值模擬與數(shù)值預(yù)測的基礎(chǔ)上對大氣層結(jié)構(gòu)、成分、過程與變化的全球性長期監(jiān)測越來越倚重。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、中科院院士呂達仁告訴《中國科學(xué)報》，長期以來科學(xué)家一直用自動站網(wǎng)、遙感探測等手段進行大氣探測，但目前卻沒有一套科學(xué)裝置可以實現(xiàn)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分辨率和高時間分辨率的長期連續(xù)觀測資料。

“大氣科學(xué)發(fā)展包括對空間科學(xué)的認識，60年以來世界各國衛(wèi)星已做了很多工作，但是一個定點如此高分辨率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(huán)境變化所依托的大氣機理至關(guān)重要。

而由5臺激光雷達、1臺毫米波測云雷達、1臺太赫茲超導(dǎo)輻射波譜儀和1臺組合望遠鏡構(gòu)成的APSOS，就為科學(xué)家探究全球氣候變化原理的“工具箱”增添了一個長期連續(xù)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(tǒng)中央，對不同要素進行探測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、被動遙感結(jié)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(fā)出的激光、微波和太赫茲遙感探測信號，與大氣不同物質(zhì)發(fā)生相互作用，散射回來的光信號由光學(xué)望遠鏡接收，再被光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號。基于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(zhì)的含量，還可以利用多普勒效應(yīng)獲得大氣溫度和風(fēng)場信息。

最終，科學(xué)家關(guān)心的大氣要素都會呈現(xiàn)在APSOS綜合數(shù)據(jù)分析和可視化平臺上，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)框架的可視化平臺能夠?qū)崿F(xiàn)每5秒一個數(shù)據(jù)的同步更新，并將實現(xiàn)對系統(tǒng)運行情況的遠程控制。

“這套系統(tǒng)的目的是在地面上放多個垂直方向的觀測設(shè)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(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為例介紹稱，在全中性層范圍內(nèi)，激光一秒鐘打30個脈沖進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)在一個方向上有足夠多的要素，足夠高的分辨率時，相當(dāng)于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(diào)，這樣的資料積累對大氣研究至關(guān)重要。

站得更高 看得更遠

在現(xiàn)場演示會上，APSOS系統(tǒng)得到了國內(nèi)同行專家的一致認可，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(xiàn)設(shè)備的科學(xué)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(wěn)定運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)備工作情況時就指出，高原散熱、激光器維護都將是設(shè)備在西藏地區(qū)運行期間所關(guān)注的問題。

“最大的問題是激光器，為了獲得好信號，激光器都是最高配置，對技術(shù)要求比較高。”潘蔚琳說。不過，她表示維護得當(dāng)?shù)那闆r下，激光器仍可以保持七八年的使用壽命。

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

呂達仁希望，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“探測點”，為國內(nèi)外相關(guān)研究提供更詳實的數(shù)據(jù)。

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