地球科学卫星的妙用

我们在2014年第4期谈到，本年度是NASA地球科学任务大爆发的一年。有5项大型地球科学任务要上天。但卫星在地球科学方面能发挥什么作用呢？NASA给出了明确的政策和一些有趣的案例。他山之石，可以攻玉。我国何时能将凯歌应用到应用上呢？

NASA的政策

NASA局长博尔登在2014年5月6日发布的一封公开信中说：“NASA在研究和保护地球环境方面的角色空前突出。气候变化是我们必须立刻加以解决的一个问题。NASA的地球科学卫星对于记录和理解地球气候、预测气候变化结果、在全球分享有关信息，是非常重要的。在美国政府发布的第三份《美国国家气候评估》中，阐述了气候变化对美国主要地区和经济、社会的影响。NASA的科学家和数据为这份权威报告中很多部分的研究作出了贡献。我们已经能够看到气候变化对全球的影响，尤其是通过我们的卫星镜头。《美国国家气候评估》中引用了相当多NASA地球观测卫星的观测结果，以及NASA跨部门、跨国研究的成果。这能帮助我们理解极区冰川、极端气候、温度变化、海平面上升和森林生态系统。”

那么，NASA具体是如何应用这些数据的呢？

金枪鱼和卫星

大西洋蓝鳍金枪鱼是墨西哥湾的主要渔业产品，也是美国人最喜欢的渔获。但它和NASA的卫星有什么关系呢？NASA的科学家最近和渔业专家合作，用卫星数据研究墨西哥湾渔场的海水参数，探索海洋生态环境的变化对金枪鱼生长有什么影响。这些科学家为了获得第一手数据，不再是关在实验室里看卫片，他们和渔民一起出海，在渔船上开展研究。

美国国家大气和海洋管理局很早以前就开始用卫星数据来研究海洋表面温度、海洋地形学和海洋水色，以此对金枪鱼和其他主要鱼种的产量进行预测。

NOAA的专家说，金枪鱼的生长很慢，非常容易受过度捕捞的影响。而从上世纪70年代以来，墨西哥湾金枪鱼的总量一直在减少。如今，他们综合利用NASA和NOAA自己的卫星，打算建立一个金枪鱼产量预测模型，尽量避免渔民把幼鱼捞上来。这个模型可以为今后100年的渔业生产服务。

南极冰川的消退不可逆

NASA和加利福尼亚大学进行的一项共同研究表明，南极冰川的消退是不可逆的。他们在南极大陆西部的一处冰盖上发现了快速融化的部分，已经没有任何因素可以阻止这处冰盖最终融入大海。

喷气推进实验室（JPL）利用欧洲地球遥感卫星（ERS-1和ERS-2）分别在1992年和2011年拍摄的雷达图像进行了分析，发现这部分冰盖每年滑入海中数量相当于整个格陵兰岛冰盖。这两颗卫星采用了所谓的干涉测量法，精度非常高。科学家们用它测量地表运动，精度可以达到7毫米以内。可以用这些图像来精确测量出冰川的移动速度。再结合NASA的“业务化冰川”航空监视任务。人们确信，冰川一方面不断滑入海中，一方面不断变薄而消退。显然，南极冰川的不断消退是无法逆转的。

根据三条基线进行的最新研究表明，南极西部阿蒙森海湾地区的冰盖消退“已经超过了可逆转的点”

用GPS测量积雪

在锯齿形的山川地带，如何才能计算出积雪的质量？难道派人去把所有的雪都扫下来吗？NASA最近用GPS数据做了实验，测量精度还不错。

蓝鳍金枪鱼的鱼苗

卫星数据显示出的蓝鳍金枪鱼产卵变化模型

由NASA喷气推进实验室科学家道格拉斯·阿古斯领导第一个研究团队研究了部署在加利福尼亚、内华达、俄勒冈和华盛顿州的1069个GPS监测站自2006年以来的数据。他们比较了每个站在每年10月1日到次年4月1日之间的数据。前一个日子是当地开始下雪的时间，而后一个日子是每年积雪最深的时间。由于积雪的质量，地表会微微下陷。测量型的GPS接收机精度可以达到几毫米，可以测出这种微小的变化，具体的结果是：积雪对地面的压力大约相当于0.6米深的水。这个数字比此前NASA用北美陆地数据同化系统模型所算出的要少。

有了这样的数据，再结合空间或航空监视，水资源管理部门可以在冬天结束后准确预测出山地的干燥程度，进而预测春天发生山火的可能性。

阿古斯说：“研究者们发现，GPS监测站所测量到的地面高度升降完全有可能是降水导致的。但本项目中，我们第一次给出了量化的数字。”

人们发现，地面在积雪的作用下，会像床垫一样下沉。和床垫一样，被积雪压陷的位置也相对集中，高山积雪会压陷地面，而数十千米外的平原地区却很少受到影响。GPS接收机精确地测量出了地面在冬天如何沉降、在春天如何回弹，以及这种情况发生的地区性和广度。

阿古斯发现，加州的GPS监测站主要是为了监测地震而设置的。如果GPS监测站更加密集一些，测量的精度还会更高。

下一步，科研人员将把GPS数据与其他航空航天监测数据相结合，提高对加利福尼亚州中央山谷带的地表水变化测量精度，建立积雪实时监测系统，使水资源管理部门能获得一种更好的工具来管理洪水、水力发电设施和其他水资源分配工作。

富饶的美国农田

美国是世界第一大产粮国，其中很大一部分原因，是美国拥有世界上最富饶的土地。这是NASA近年来的研究所发现的。

我们知道，植物通过光合作用把阳光中的能量转变成含能的化学物质，譬如淀粉和糖，存储在果实、根茎和枝叶中。而实现光合作用的主要物质就是叶绿素。叶绿素一方面吸收光能，一方面也会把其中一部分肉眼看不到的荧光发射回去。因此，测量这部分荧光的量级，就可以推算出某个地区植物叶绿素的总量，进而推算出这个地区的农作物产量。

NASA戈达德宇航中心的科学家调用欧洲气象卫星METOP-A上的“全球臭氧监视试验-2”遥感器2007-2011年的数据，对美国本土的叶绿素进行了研究。2012年，他们得出了结论：美国的“玉米种植带”——也就是从俄亥俄州到内布拉斯加州和堪萨斯州的地带，其在7月的叶绿素峰值比亚马逊河流域还高40%。

考虑到玉米在生长高峰期可以大量吸收二氧化碳，因此对农业区二氧化碳浓度的测量也可以用来估产。因此，科学家们正热烈期待着7月份的“轨道碳观测台”-2发射成功。

位于俄勒冈州山上的GPS监测站