地球科學衛(wèi)星的妙用

我們在2014年第4期談到，本年度是NASA地球科學任務(wù)大爆發(fā)的一年。有5項大型地球科學任務(wù)要上天。但衛(wèi)星在地球科學方面能發(fā)揮什么作用呢？NASA給出了明確的政策和一些有趣的案例。他山之石，可以攻玉。我國何時能將凱歌應用到應用上呢？

NASA的政策

NASA局長博爾登在2014年5月6日發(fā)布的一封公開信中說：“NASA在研究和保護地球環(huán)境方面的角色空前突出。氣候變化是我們必須立刻加以解決的一個問題。NASA的地球科學衛(wèi)星對于記錄和理解地球氣候、預測氣候變化結(jié)果、在全球分享有關(guān)信息，是非常重要的。在美國政府發(fā)布的第三份《美國國家氣候評估》中，闡述了氣候變化對美國主要地區(qū)和經(jīng)濟、社會的影響。NASA的科學家和數(shù)據(jù)為這份權(quán)威報告中很多部分的研究作出了貢獻。我們已經(jīng)能夠看到氣候變化對全球的影響，尤其是通過我們的衛(wèi)星鏡頭。《美國國家氣候評估》中引用了相當多NASA地球觀測衛(wèi)星的觀測結(jié)果，以及NASA跨部門、跨國研究的成果。這能幫助我們理解極區(qū)冰川、極端氣候、溫度變化、海平面上升和森林生態(tài)系統(tǒng)。”

那么，NASA具體是如何應用這些數(shù)據(jù)的呢？

金槍魚和衛(wèi)星

大西洋藍鰭金槍魚是墨西哥灣的主要漁業(yè)產(chǎn)品，也是美國人最喜歡的漁獲。但它和NASA的衛(wèi)星有什么關(guān)系呢？NASA的科學家最近和漁業(yè)專家合作，用衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究墨西哥灣漁場的海水參數(shù)，探索海洋生態(tài)環(huán)境的變化對金槍魚生長有什么影響。這些科學家為了獲得第一手數(shù)據(jù)，不再是關(guān)在實驗室里看衛(wèi)片，他們和漁民一起出海，在漁船上開展研究。

美國國家大氣和海洋管理局很早以前就開始用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來研究海洋表面溫度、海洋地形學和海洋水色，以此對金槍魚和其他主要魚種的產(chǎn)量進行預測。

NOAA的專家說，金槍魚的生長很慢，非常容易受過度捕撈的影響。而從上世紀70年代以來，墨西哥灣金槍魚的總量一直在減少。如今，他們綜合利用NASA和NOAA自己的衛(wèi)星，打算建立一個金槍魚產(chǎn)量預測模型，盡量避免漁民把幼魚撈上來。這個模型可以為今后100年的漁業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

南極冰川的消退不可逆

NASA和加利福尼亞大學進行的一項共同研究表明，南極冰川的消退是不可逆的。他們在南極大陸西部的一處冰蓋上發(fā)現(xiàn)了快速融化的部分，已經(jīng)沒有任何因素可以阻止這處冰蓋最終融入大海。

噴氣推進實驗室（JPL）利用歐洲地球遙感衛(wèi)星（ERS-1和ERS-2）分別在1992年和2011年拍攝的雷達圖像進行了分析，發(fā)現(xiàn)這部分冰蓋每年滑入海中數(shù)量相當于整個格陵蘭島冰蓋。這兩顆衛(wèi)星采用了所謂的干涉測量法，精度非常高。科學家們用它測量地表運動，精度可以達到7毫米以內(nèi)。可以用這些圖像來精確測量出冰川的移動速度。再結(jié)合NASA的“業(yè)務(wù)化冰川”航空監(jiān)視任務(wù)。人們確信，冰川一方面不斷滑入海中，一方面不斷變薄而消退。顯然，南極冰川的不斷消退是無法逆轉(zhuǎn)的。

根據(jù)三條基線進行的最新研究表明，南極西部阿蒙森海灣地區(qū)的冰蓋消退“已經(jīng)超過了可逆轉(zhuǎn)的點”

用GPS測量積雪

在鋸齒形的山川地帶，如何才能計算出積雪的質(zhì)量？難道派人去把所有的雪都掃下來嗎？NASA最近用GPS數(shù)據(jù)做了實驗，測量精度還不錯。

藍鰭金槍魚的魚苗

衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示出的藍鰭金槍魚產(chǎn)卵變化模型

由NASA噴氣推進實驗室科學家道格拉斯·阿古斯領(lǐng)導第一個研究團隊研究了部署在加利福尼亞、內(nèi)華達、俄勒岡和華盛頓州的1069個GPS監(jiān)測站自2006年以來的數(shù)據(jù)。他們比較了每個站在每年10月1日到次年4月1日之間的數(shù)據(jù)。前一個日子是當?shù)亻_始下雪的時間，而后一個日子是每年積雪最深的時間。由于積雪的質(zhì)量，地表會微微下陷。測量型的GPS接收機精度可以達到幾毫米，可以測出這種微小的變化，具體的結(jié)果是：積雪對地面的壓力大約相當于0.6米深的水。這個數(shù)字比此前NASA用北美陸地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)模型所算出的要少。

有了這樣的數(shù)據(jù)，再結(jié)合空間或航空監(jiān)視，水資源管理部門可以在冬天結(jié)束后準確預測出山地的干燥程度，進而預測春天發(fā)生山火的可能性。

阿古斯說：“研究者們發(fā)現(xiàn)，GPS監(jiān)測站所測量到的地面高度升降完全有可能是降水導致的。但本項目中，我們第一次給出了量化的數(shù)字。”

人們發(fā)現(xiàn)，地面在積雪的作用下，會像床墊一樣下沉。和床墊一樣，被積雪壓陷的位置也相對集中，高山積雪會壓陷地面，而數(shù)十千米外的平原地區(qū)卻很少受到影響。GPS接收機精確地測量出了地面在冬天如何沉降、在春天如何回彈，以及這種情況發(fā)生的地區(qū)性和廣度。

阿古斯發(fā)現(xiàn)，加州的GPS監(jiān)測站主要是為了監(jiān)測地震而設(shè)置的。如果GPS監(jiān)測站更加密集一些，測量的精度還會更高。

下一步，科研人員將把GPS數(shù)據(jù)與其他航空航天監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高對加利福尼亞州中央山谷帶的地表水變化測量精度，建立積雪實時監(jiān)測系統(tǒng)，使水資源管理部門能獲得一種更好的工具來管理洪水、水力發(fā)電設(shè)施和其他水資源分配工作。

富饒的美國農(nóng)田

美國是世界第一大產(chǎn)糧國，其中很大一部分原因，是美國擁有世界上最富饒的土地。這是NASA近年來的研究所發(fā)現(xiàn)的。

我們知道，植物通過光合作用把陽光中的能量轉(zhuǎn)變成含能的化學物質(zhì)，譬如淀粉和糖，存儲在果實、根莖和枝葉中。而實現(xiàn)光合作用的主要物質(zhì)就是葉綠素。葉綠素一方面吸收光能，一方面也會把其中一部分肉眼看不到的熒光發(fā)射回去。因此，測量這部分熒光的量級，就可以推算出某個地區(qū)植物葉綠素的總量，進而推算出這個地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量。

NASA戈達德宇航中心的科學家調(diào)用歐洲氣象衛(wèi)星METOP-A上的“全球臭氧監(jiān)視試驗-2”遙感器2007-2011年的數(shù)據(jù)，對美國本土的葉綠素進行了研究。2012年，他們得出了結(jié)論：美國的“玉米種植帶”——也就是從俄亥俄州到內(nèi)布拉斯加州和堪薩斯州的地帶，其在7月的葉綠素峰值比亞馬遜河流域還高40%。

考慮到玉米在生長高峰期可以大量吸收二氧化碳，因此對農(nóng)業(yè)區(qū)二氧化碳濃度的測量也可以用來估產(chǎn)。因此，科學家們正熱烈期待著7月份的“軌道碳觀測臺”-2發(fā)射成功。

位于俄勒岡州山上的GPS監(jiān)測站