超级“激光剑”：剑指大气的深层奥秘

9月8日晚，在中国科学院大气物理研究所淮南研究所的院子里，三束绿色激光从集装箱形状的方舱中射出，像几部科幻电影《星球大战》中的激光剑一样指向天空。

然而，这不是一种绝地武器，而是科学家们用来解开大气之谜的一种新方法——由中国科学院大气物理研究所领导的世界上第一个全(中性)大气多组件、多元素大型地基综合探测系统。

添加一把新钥匙解开大气之谜

雷暴、台风和暴雨，在2017年的夏天，频繁的极端天气正悄悄地影响着人们的工作和生活。

在过去的100年里，气候变化的研究越来越依赖于在数值模拟和数值预测的基础上对大气结构、成分、过程和变化的长期全球监测。分析气候变化的原因，是继续维护和发展上述大气探测系统的重要基础。

中国科学院院士、亚太空间观测系统首席科学家陆达仁在接受《中国科学日报》采访时表示，长期以来，科学家们一直在利用自动网络和遥感技术探测大气，但目前还没有一种科学装置能够获得垂直方向上整个(中性)大气主要元素的高垂直分辨率和高时间分辨率的长期连续综合观测数据。

“大气科学的发展包括对空间科学的理解。在过去的60年里，世界各地的卫星做了大量的工作，但是没有办法在一个固定的点上以如此高的分辨率同时观测多种大气元素。”卢大人说道。这对于更清楚地理解气候和环境变化背后的大气机制非常重要。

亚太空间观测系统由五个激光雷达、一个毫米波云雷达、一个太赫兹超导辐射光谱仪和一个组合望远镜组成，为科学家探索全球气候变化原理的“工具箱”和持续观察大气多因素增加了一个新工具。

切断大气

从外面看，由四个直径1.2米的镜子组成的组合望远镜位于亚太卫星系统的中心，而用于探测不同元素的方形舱被恒星和卫星包围着。这种辐射系统将利用主动和被动遥感的结合来深入“切割”诸如“大气温度、湿度变化、大气污染、大气运动”等要素。

专家说，从掩蔽处发射的激光、微波和太赫兹遥感探测信号与大气中的不同物质相互作用，散射光信号被光学望远镜接收，然后被光电探测器转换成电信号。基于不同的激光雷达原理，通过对接收信号的处理可以获得不同探测物质的含量，利用多普勒效应也可以获得大气温度和风场信息。

最后，科学家关心的大气因素将在亚太空间观测系统综合数据分析和可视化平台上展示，并成为研究用户可以直接应用的产品。

中国科学院大气物理研究所助理研究员王一楠表示，搭建了基本框架的可视化平台可以实现每5秒钟数据的同步更新，并将实现对系统运行的远程控制。

“该系统的目的是在地面上放置多个垂直观测装置，以测量距离地面100公里的大气元素的垂直分布和时间变化。”卢大人说道。

地球周围的大气按高度可分为对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层。热层中的大气也被称为电离层，因为它暴露在太阳辐射下，具有高温和气体分子或原子的大量电离，并且具有导电特性。科学家称热大气层下的不带电大气为中性大气，热大气层离地面约100公里~ 800公里，中性大气也是APSOS系统的工作范围。

中国科学院大气物理研究所研究员潘以气溶胶探测为例，他说在全中性层内，激光每秒钟脉冲30次，形成大气距离分辨率，每隔30米将大气切割成碎片，以获得准确的大气气溶胶信息。

当一个方向上有足够的元素和高分辨率时，就相当于知道了大气过程的物理元素和大气动力学元素陆达仁强调，这种数据积累对大气研究至关重要。

站得更高，看得更远

在现场演示会上，APSOS系统得到了国内同行专家的一致认可，演示结束后将前往海拔4300米的*羊八井国际宇宙射线天文台。

“*是中国研究全球气候变化的焦点。高空有机会探测到更多的大气元素，更好地反映设备的科学价值和数据价值。”卢大人说道。

然而，这些精密仪器在*的长期稳定运行仍面临一些挑战。

潘在向记者介绍该设备在气溶胶室的工作时指出，高原散热和激光维护将是该设备在*运行过程中需要关注的问题。

“最大的问题是激光。为了获得良好的信号，激光器的配置最高，技术要求也很高。”潘对说:然而，她说，经过适当的维护，激光仍能保持其78年的使用寿命。

虽然目前激光雷达不能在白天和雷雨天气下工作，一套系统只能实现一点大气探测，但其对多种大气要素进行长时间、连续、稳定的深度探测的优势仍然让专家们对其发展充满了期待。

陆达仁希望将来会有更多这样的设备和更多能够深入分析大气信息的“探测点”，为国内外相关研究提供更详细的数据。

“我们希望在淮南继续开发另一套，我们的数据将发布给国内外的科学家。欢迎科学家们一起做观察和加强实验。这是我们的承诺和愿望。”卢大人说道。

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由中国科学院开发的观测100，000米垂直大气的APSOS。