激光“剑”指南极苍穹

黄文涛

如今，中國载人航天工程进入了令人鼓舞的空间站时代。你可曾想过，地球大气层和太空的边界在哪里？航天器在飞出大气层的旅途中，能感受到怎样的环境变化？遥远两极的大气与其他地区有什么不同或联系？为揭示极区大气的秘密，中国科学家把遥感探测的激光“剑”装到了南极中山站，“剑”指苍穹，锐意探索。

地球的大气层为生命的生存提供了氧气、二氧化碳等必要的化学物质，像盾牌一样阻挡了来自太空的危险射线和粒子，通过吸收和辐射过程像被子一样维持着地表适宜的温度，通过雨雪过程使得水在全球循环输送。

从地球表面向太空延展，大气层随着高度的上升有几个特点鲜明的区域。通常来说，从地面往上10多千米，温度逐渐下降到零下70摄氏度左右，下热上冷易形成上下对流;随后往上到约50千米，温度逐渐上升到0摄氏度左右，下冷上热在垂直方向非常稳定;然后温度再次下降，直到约90千米达到零下110摄氏度左右;接着温度开始迅速上升。

不同区域的温度差异主要与太阳辐射经由地面以及大气的吸收和辐射过程相关，分别被称为对流层、平流层、中间层和热层。约80～100千米的中间层顶可以看作大气和太空的边界。下方大气以氮分子和氧分子为主，且密度随高度上升成指数衰减，99.999%的质量都集中在90千米以下（约90%在16千米以下）。

虽然我们每个人生活的区域狭小，最多偶尔坐飞机在平流层底部“旅行”，然而，包裹着地球的大气却是一个流动的整体，不同的圈层之间，不同的区域之间，都有着紧密的联系，相距甚远却息息相关。极区光照弱，是全球大气的冷源和下降区域，是驱动大气循环的关键一环。

南极中山站的激光雷达观测舱

所有设备在测试之后都要拆成小件以便运输，再在现场建设的激光雷达观测舱里重新组装起来

为探索地球大气的秘密，更好地预测气候变化，需要探测它所有的圈层，也需要在环境恶劣的极区开展观测。而中间层顶是最难探测的区域之一。这个高度飞机飞不到，探空气球够不着，对卫星来说又太低，只有探空火箭飞行途中能有几十秒的时间短暂穿过。科学家们后来利用遥感手段从地面上开展探测，更是把设备搬到了极地。

在夜空偶尔会看到明亮的流星，你可否想过它瞬息闪耀的光芒会留下什么？又会为探索地球大气提供怎样的线索？

科学家早在20世纪20年代就发现在地球大气层75～105千米的高度上，稳定存在一定浓度的中性的金属原子，有铁、钠、钾、钙等等。研究发现，它们源于每时每刻都在注入地球大气的流星体（绝大部分为肉眼不可见的微流星），流星体烧蚀挥发形成烟状尾迹扩散到大气中，包含有这些金属原子。由于在不同高度大气成分有所不同，所在高度高一些，这些原子很快被电离变成离子;高度低一些，它们就经由一系列的化学反应生成化合物分子，再聚集成颗粒飘向地面。

复杂的光学系统

20世纪60年代，第一台激光器发明后，激光光谱学随之发展起来，物理学家利用激光与物质的相互作用来探究物质的特性。而在中间层顶高度上天然存在的金属原子层，为大气的激光遥感探测提供了绝好的媒介。到了90年代，科学家把光谱实验搬到了大气这个巨型的天然实验室中，发展了钠原子多普勒激光雷达这一主动遥感技术，从地面发射特定波长的激光，激发钠原子层，再在地面上利用大口径望远镜收集、探测被激发的钠原子发出的荧光，推算出它们所处大气环境的温度和风。这些指向天空的激光束，就像“剑”一样，直指苍穹，探究着高层大气的秘密。

由于地球磁场在两极地区贯通地球，源自太阳风中的带电离子受到磁场的约束，主要在两极地区穿入大气层、注入大量的能量和粒子，绚烂的极光便直观地展示了这一过程。

中国科学家在南极中山站利用成像仪、无线电雷达、磁力计等开展了长期的极光、电离层、磁层等方面的观测研究。近年来又竖起了激光“剑”，用来探测极区大气的温度、风场，探索空间天气活动和大气相互作用。

☉现在，在中山站晴朗的夜空中，我们时常可以看到在灵动的极光映衬下，黄色和绿色的激光“剑”与之交相辉映

我们可以感受一下中山站钠原子多普勒激光雷达的复杂与精密。它拥有3台直径820毫米的望远镜，为了适应零下40摄氏度到零上10摄氏度的工作温度，主镜用热膨胀系数极低的微晶玻璃打磨而成。在一台1.3米宽、3米长，重约一吨的光学平台上，安装着3台激光器以及上百个光学精密器件。激光雷达发射波长589.159纳米的黄色激光，其频率要精确控制在几兆赫兹以内，相当于百米高楼的高度误差要控制在1微米左右。它还能利用特殊的磁光器件，把太阳照射下的天空散射的背景光压制50万倍以上，可以在白天以及极昼时开展观测。2019年2月部署的这部激光雷达是第一台也是目前唯一一台在南极开展中层顶区域大气水平风场观测的激光雷达。

为了探测更多的大气圈层，中国科学家在2020年又部署了基于不同探测原理的瑞利激光雷达模块、拉曼激光雷达和相干测风激光雷达，实现了对极区大气整体的联合探测，是南极洲覆盖高度最广、观测要素最多的大气激光雷达探测体系。

随着社会和科学的发展，人类对周遭环境的认知从一隅扩展到全球的大气圈、水圈和生物圈，人类的活动也开始对环境乃至气候产生深远的影响。大气圈这个牵一发而动全身的复杂系统，与气候的变迁、人类的命运息息相关。现在，中国科学家攻坚克难，在南极中山站建起激光雷达，探究极区大气和近地空间环境的奥秘，也为提高气象、气候模式的准确性提供了关键数据。