大年初三過后,中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的實(shí)驗(yàn)室里,人氣就和尋常日子差不多了。
-120℃、直徑2米的低溫真空球,模擬著太空的惡劣環(huán)境,考驗(yàn)著全球首臺(tái)寬幅高光譜溫室氣體成像監(jiān)測(cè)儀。一旁,天基碳監(jiān)測(cè)突擊隊(duì)的科研人員正緊張地盯著密密麻麻的參數(shù)。大伙兒正將4000余個(gè)光譜的數(shù)據(jù)量變成大氣中各氣體成分的實(shí)際物理量。這個(gè)工作量不小,得忙一陣了。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊溢,80后,上海人,這幾年春節(jié)幾乎都沒完整過過。“任務(wù)需要,這個(gè)春節(jié)卡在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上了。大家輪流歇,研制不停。”她說得云淡風(fēng)輕。
“看清”更多溫室氣體
碳達(dá)峰,深入人心??勺龅迷趺礃樱糜每茖W(xué)數(shù)據(jù)來說話。“從天上往地面看氣候變化”,上海技術(shù)物理研究所走在了前面,從2008年起就率先開展天基溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的預(yù)先研究。
天上飛著的碳衛(wèi)星,有好幾位不同國家的“前輩”了。高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀,又“煉就”了哪些不一樣的絕活?以我國2016年12月發(fā)射的全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為例,它通過看“顏色”來識(shí)別二氧化碳?xì)怏w。上海技術(shù)物理研究所所長、儀器主任設(shè)計(jì)師丁雷說,溫室氣體可不止二氧化碳,還有水汽、甲烷、氧化亞氮等。“看”水是“基本功”,“看”二氧化碳是“進(jìn)階本領(lǐng)”,各有千秋,而“看”甲烷可是“頭一遭”,自然難得多。
“要利用寬譜段高光譜方式來對(duì)地觀測(cè),這就要求監(jiān)測(cè)儀能‘看到’的色彩更豐富、有更多細(xì)節(jié),同時(shí)還要看得更遠(yuǎn)。”丁雷介紹。國際上同類儀器的視場(chǎng)幅寬普遍為10多公里,天基碳監(jiān)測(cè)突擊隊(duì)卻直接添了個(gè)零,要“看”100公里,“能有效縮短對(duì)全球和敏感地區(qū)的探測(cè)周期。”看得廣還看得遠(yuǎn),數(shù)據(jù)量隨之增多,信息處理難度也陡增。
記者了解到,全球首臺(tái)寬幅高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)已完成研制。相比國際上同類載荷性能指標(biāo),其光學(xué)總視場(chǎng)角增加7.3倍左右,光譜分辨率提升一倍,光譜采樣率提升50%,信噪比提升30%。
破解“既要又要”難題
和照相機(jī)定格山川河流不一樣,探測(cè)儀“看到”的是“虛”的,太陽高度角、風(fēng)速、陰天晴天,都會(huì)對(duì)“所見”造成變化??蒲腥藛T獲取的數(shù)據(jù),得和大氣成分做物理上的反演建立起穩(wěn)定的數(shù)學(xué)關(guān)系。“我們要把溫室氣體反演精度提高至1ppm,通俗講就是,當(dāng)大氣中某一溫室氣體含量變化超過百萬分之一時(shí),監(jiān)測(cè)儀就能發(fā)現(xiàn)。”丁雷解釋。
天基溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù),在上海技術(shù)物理研究所,接力棒已在四屆博士生手中傳遞過。這支數(shù)十人組成的攻關(guān)團(tuán)隊(duì),年齡跨度覆蓋了“60后”到“00后”,載荷不知更新迭代了多少回。
光學(xué)副主任設(shè)計(jì)師成龍從攻讀博士學(xué)位起就瞄準(zhǔn)了這項(xiàng)技術(shù),已在所里奮斗快十年了,“我很幸運(yùn)能參與國家需要的前沿項(xiàng)目研究”。
拿探測(cè)儀的“體重”來說,為滿足科研需求,最初的設(shè)計(jì)直奔600公斤,可衛(wèi)星上天也有“承重量”,對(duì)探測(cè)儀來說是個(gè)“既要又要”的難題——得輕些,穩(wěn)定性還不能降低要求,這可是個(gè)無先例可循的創(chuàng)新活兒。機(jī)械副主任設(shè)計(jì)師雷松濤費(fèi)盡心思,不同零件用上滿足各自要求的復(fù)合材料,總算“減重”到了300公斤,“在不同溫度、重力環(huán)境下,載荷的結(jié)構(gòu)形變不能超過微米級(jí)”。
團(tuán)隊(duì)要“兩條腿走路”
“根據(jù)科研任務(wù)的安排,研發(fā)的溫室氣體監(jiān)測(cè)儀馬上迎來階段驗(yàn)收。春節(jié)期間,恰好要在真空環(huán)境中聯(lián)合測(cè)試。”綜合電子學(xué)主任設(shè)計(jì)師張冬冬沒覺得假期工作有什么大不了的,“測(cè)試需要24小時(shí)有人盯著,大家輪流過節(jié),設(shè)備不歇。家住甘肅、貴州的科研人員,過了年初三也都陸續(xù)回來了”。
一頭,在緊鑼密鼓地開展寬幅高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀的裝校和定標(biāo)實(shí)驗(yàn),為三月到來的“小考”做好準(zhǔn)備;另一頭,一臺(tái)新的載荷也在春節(jié)期間“上馬”。團(tuán)隊(duì)要“兩條腿走路”,還得走得快而穩(wěn)。
“甲烷在平流層和對(duì)流層,可能會(huì)和不同成分發(fā)生反應(yīng)。若把它作為一個(gè)科學(xué)問題看待,有很多環(huán)節(jié)纏繞在一起,以目前的技術(shù)手段,較難全面探測(cè)。”丁雷展望說,“未來天基溫室氣體監(jiān)測(cè)必然朝著更多要素、更廣范圍發(fā)展。我們現(xiàn)在看到的是柱狀濃度,今后希望能像CT一樣,得到溫室氣體在大氣中的垂直分布信息。”
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