跟踪融化的极地冰——NASA冰探测卫星即将升空

2018-09-14 17:58:27 来源: 科技日报 作者: 刘霞

NASA的冰探测卫星ICESat-2(艺术概念图)。图片来源:《自然》网站

本报记者 刘霞

在地球上,人类活动导致的气候变化造成的后果正在显现:北极海冰在消失,格陵兰岛和南极洲的冰盖融化使海平面加速上升。然而近十年来,美国国家航空航天局(NASA)一直缺乏专用卫星来测量极地冰层厚度的变化。不过,随着耗资10亿美元的冰、云和陆地高程卫星(ICESat-2)即将发射升空,这一现状将成为过去。

据英国《自然》杂志官网9月10日报道,ICESat-2利用激光工作,观测精度可达0.5厘米,它将重点测量格陵兰岛和南极洲等地冰层厚度的变化,同时也收集有关森林生长和云层高度的数据。

十年磨一剑

《自然》杂志称,NASA计划于15日从加州范登堡空军基地,利用“德尔塔2”(Delta 2)火箭,将ICESat-2送入太空。

该卫星旨在跟踪冰层厚度的季节和年度变化,精度在0.5厘米以内,这一分辨率高于之前的任何高程监测卫星。它将在地球表面500公里之上的轨道运行,并在未来3年内每3个月一次覆盖全球。

据美国科罗拉多州国家冰雪数据中心的冰川学家泰德·斯卡姆波介绍,ICESat-2任务是ICESat-1(于2010年结束任务)的继任者。十年磨一剑,科学家于2008年构想了这颗最新的卫星,但其上的高级地形激光测高仪系统(ATLAS)历时5年才研发完成。此外,金属支架意外膨胀导致用于放大激光的晶体破裂,修复它们并解决其他复杂问题不仅使预算增加了数亿美元,也使本应于2016年进行的发射延迟到今年。

比“前辈”更能干

斯卡姆波介绍,ATLAS令ICESat-2“如虎添翼”,可以获得比“前辈”ICESat-1更精确的图像。ATLAS每秒发射1万个激光脉冲,通过测量这些脉冲中的光子从卫星传播到地球表面并返回的时间来测算高度。返回越快,ICESat-2测量的高度越高。频繁点火意味着每个脉冲相对较弱,为了捕捉微弱的反射,卫星使用一个小望远镜将光线漏到敏感的真空管上,这些真空管可以探测到单个光子。

此外,ICESat-1使用单束激光,而ICESat-2使用三对平行光束,使其能同时沿多个路径扫描且分辨率更高;ICESat-1沿着轨道每隔150米读取一次读数,而ICESat-2每隔70厘米就记录一次高度。ICESat-2的更高分辨率使其能获得地球冰层地形的细粒度视图,而且,随着时间的推移,它将揭示冰的变化,这些变化可以为构建预测模型提供信息。

科罗拉多大学博尔德分校冰川学家瓦利德·阿卜杜拉蒂是最早提出ICESat-2任务的科学家之一,他说:“我们关心海冰萎缩或增长的速度,因为它会影响海洋与大气之间的能量交换,进而影响海洋环流、大气环流、天气和与气候有关的现象。”

NASA的ICESat-2项目科学家汤姆·瓦格勒则表示,最终,他们希望了解引导这些冰变化的过程和气候驱动因素。一旦科学家们知道是什么促使地球冰层发生这些变化,他们就可以利用这些信息来更好地预测变化的剧烈程度。

剑指极地冰盖

据《科学》杂志报道,ICESat-2的首要任务是揭示东南极冰盖(地球上最大的冰盖)的秘密。极端寒冷和高海拔被认为可以保护它免受严重的冰损失,但科学家们想要了解降雪、不断融化的冰和不断移动的基岩是如何导致海拔微小变化的。这颗卫星也将能够窥视南极半岛峭壁的情况,尽管这一峭壁体积很小,但仍占该大陆冰川损失的四分之一。

欧洲空间局(ESA)的冰层探测科研卫星冷星-2(CryoSat-2)也在密切关注极地冰的变化情况。但英国利兹大学冰川学家、CryoSat-2首席科学顾问安德鲁·谢泼德指出,CryoSat-2的雷达波束太宽,无法对南极半岛崎岖山峰中的冰进行精确测量。

科学家们还将使用ICESat-2监测冰盖的接地线,在这些地方,释放到海洋的冰川会自由漂浮在基岩上并变成冰架,这些冰架很容易被温暖的海水从下面融化,导致内陆接地线下降。由于南极洲基岩的碗状地形,冰川学家担心下降会加速导致冰层迅速坍塌。

如果一个冰架即将坍塌入海,科学家们希望能立即开展观测活动。布法罗大学遥感冰川学家比塔·阿索正在探索如何在早期预警系统中使用ICESat-2提供的数据,该早期预警系统可以近乎实时而非一年或两年之后监测突然融化事件。

此外,ICESat-2还可以追踪森林生长的变化,这是碳增加或减少的关键指标。当研究人员将这些数据与来自其他地球监测卫星(如测量臭氧、空气质量或土壤湿度的卫星)提供的信息相结合时,可对影响冰、海洋和气候的全球过程获得更全面的了解。

ICESat-2还将与CryoSat-2联手测量覆盖陆地和海冰的雪。由于激光从雪中反射,而雷达从下方的冰中反射,结合两颗卫星的测量值可以帮助调查人员将雪与冰分开,进一步精确了解冰层厚度变化。

华盛顿大学冰川学家彼得·内夫说:“这就是我们真正需要的东西,如果我们不理解驱动变化的过程,我们真的无法清楚地了解未来几十年可能会继续发生的事情。”

(科技日报北京9月12日电)

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责任编辑: 夏青
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