激光“劍”指南極蒼穹

黃文濤

如今，中國載人航天工程進入了令人鼓舞的空間站時代。你可曾想過，地球大氣層和太空的邊界在哪里？航天器在飛出大氣層的旅途中，能感受到怎樣的環境變化？遙遠兩極的大氣與其他地區有什么不同或聯系？為揭示極區大氣的秘密，中國科學家把遙感探測的激光“劍”裝到了南極中山站，“劍”指蒼穹，銳意探索。

地球的大氣層為生命的生存提供了氧氣、二氧化碳等必要的化學物質，像盾牌一樣阻擋了來自太空的危險射線和粒子，通過吸收和輻射過程像被子一樣維持著地表適宜的溫度，通過雨雪過程使得水在全球循環輸送。

從地球表面向太空延展，大氣層隨著高度的上升有幾個特點鮮明的區域。通常來說，從地面往上10多千米，溫度逐漸下降到零下70攝氏度左右，下熱上冷易形成上下對流;隨后往上到約50千米，溫度逐漸上升到0攝氏度左右，下冷上熱在垂直方向非常穩定;然后溫度再次下降，直到約90千米達到零下110攝氏度左右;接著溫度開始迅速上升。

不同區域的溫度差異主要與太陽輻射經由地面以及大氣的吸收和輻射過程相關，分別被稱為對流層、平流層、中間層和熱層。約80～100千米的中間層頂可以看作大氣和太空的邊界。下方大氣以氮分子和氧分子為主，且密度隨高度上升成指數衰減，99.999%的質量都集中在90千米以下（約90%在16千米以下）。

雖然我們每個人生活的區域狹小，最多偶爾坐飛機在平流層底部“旅行”，然而，包裹著地球的大氣卻是一個流動的整體，不同的圈層之間，不同的區域之間，都有著緊密的聯系，相距甚遠卻息息相關。極區光照弱，是全球大氣的冷源和下降區域，是驅動大氣循環的關鍵一環。

南極中山站的激光雷達觀測艙

所有設備在測試之后都要拆成小件以便運輸，再在現場建設的激光雷達觀測艙里重新組裝起來

為探索地球大氣的秘密，更好地預測氣候變化，需要探測它所有的圈層，也需要在環境惡劣的極區開展觀測。而中間層頂是最難探測的區域之一。這個高度飛機飛不到，探空氣球夠不著，對衛星來說又太低，只有探空火箭飛行途中能有幾十秒的時間短暫穿過。科學家們后來利用遙感手段從地面上開展探測，更是把設備搬到了極地。

在夜空偶爾會看到明亮的流星，你可否想過它瞬息閃耀的光芒會留下什么？又會為探索地球大氣提供怎樣的線索？

科學家早在20世紀20年代就發現在地球大氣層75～105千米的高度上，穩定存在一定濃度的中性的金屬原子，有鐵、鈉、鉀、鈣等等。研究發現，它們源于每時每刻都在注入地球大氣的流星體（絕大部分為肉眼不可見的微流星），流星體燒蝕揮發形成煙狀尾跡擴散到大氣中，包含有這些金屬原子。由于在不同高度大氣成分有所不同，所在高度高一些，這些原子很快被電離變成離子;高度低一些，它們就經由一系列的化學反應生成化合物分子，再聚集成顆粒飄向地面。

復雜的光學系統

20世紀60年代，第一臺激光器發明后，激光光譜學隨之發展起來，物理學家利用激光與物質的相互作用來探究物質的特性。而在中間層頂高度上天然存在的金屬原子層，為大氣的激光遙感探測提供了絕好的媒介。到了90年代，科學家把光譜實驗搬到了大氣這個巨型的天然實驗室中，發展了鈉原子多普勒激光雷達這一主動遙感技術，從地面發射特定波長的激光，激發鈉原子層，再在地面上利用大口徑望遠鏡收集、探測被激發的鈉原子發出的熒光，推算出它們所處大氣環境的溫度和風。這些指向天空的激光束，就像“劍”一樣，直指蒼穹，探究著高層大氣的秘密。

由于地球磁場在兩極地區貫通地球，源自太陽風中的帶電離子受到磁場的約束，主要在兩極地區穿入大氣層、注入大量的能量和粒子，絢爛的極光便直觀地展示了這一過程。

中國科學家在南極中山站利用成像儀、無線電雷達、磁力計等開展了長期的極光、電離層、磁層等方面的觀測研究。近年來又豎起了激光“劍”，用來探測極區大氣的溫度、風場，探索空間天氣活動和大氣相互作用。

☉現在，在中山站晴朗的夜空中，我們時常可以看到在靈動的極光映襯下，黃色和綠色的激光“劍”與之交相輝映

我們可以感受一下中山站鈉原子多普勒激光雷達的復雜與精密。它擁有3臺直徑820毫米的望遠鏡，為了適應零下40攝氏度到零上10攝氏度的工作溫度，主鏡用熱膨脹系數極低的微晶玻璃打磨而成。在一臺1.3米寬、3米長，重約一噸的光學平臺上，安裝著3臺激光器以及上百個光學精密器件。激光雷達發射波長589.159納米的黃色激光，其頻率要精確控制在幾兆赫茲以內，相當于百米高樓的高度誤差要控制在1微米左右。它還能利用特殊的磁光器件，把太陽照射下的天空散射的背景光壓制50萬倍以上，可以在白天以及極晝時開展觀測。2019年2月部署的這部激光雷達是第一臺也是目前唯一一臺在南極開展中層頂區域大氣水平風場觀測的激光雷達。

為了探測更多的大氣圈層，中國科學家在2020年又部署了基于不同探測原理的瑞利激光雷達模塊、拉曼激光雷達和相干測風激光雷達，實現了對極區大氣整體的聯合探測，是南極洲覆蓋高度最廣、觀測要素最多的大氣激光雷達探測體系。

隨著社會和科學的發展，人類對周遭環境的認知從一隅擴展到全球的大氣圈、水圈和生物圈，人類的活動也開始對環境乃至氣候產生深遠的影響。大氣圈這個牽一發而動全身的復雜系統，與氣候的變遷、人類的命運息息相關。現在，中國科學家攻堅克難，在南極中山站建起激光雷達，探究極區大氣和近地空間環境的奧秘，也為提高氣象、氣候模式的準確性提供了關鍵數據。