俯瞰全球中高層大氣的“眼睛”

主講嘉賓：武漢大學校長 中國科學院院士 竇賢康  

上 篇 

從(cong) 激光雷達到量子激光雷達的跨越 

　　【導視】 

　　探測中高層大氣麵臨(lin) 一個(ge) 非常難的課題，它難在哪呢？衛星下不來。

　　從(cong) 普通雷達到激光雷達

　　發展出來一套係統，叫量子激光雷達。

　　從(cong) 激光雷達到量子激光雷達

　　把激光雷達放到衛星上進行全球風場的測量。

　　我們(men) 每10納秒就進行了一次完美的探測。

　　竇賢康：同學們(men) ，大家好！歡迎大家來到《大學》。

　　這兩(liang) 束光可能大家看到過一束，因為(wei) 大家都是武大的學生。看到左下角的那一束激光，綠色激光就從(cong) 珞珈山的後山射向太空。

　　右下角的那一束激光是在中國科大實驗室的邊上，同樣地也射向太空。

　　這兩(liang) 束光是幹什麽(me) 的呢？這兩(liang) 束光是用來探測中高層大氣的。擺在光學平台上的設備就是激光器，這樣發出去的激光出去以後，就是大家剛才看到的那兩(liang) 束靚麗(li) 的直插雲(yun) 霄的綠光。

　　什麽(me) 是中高層大氣？ 

　　中高層大氣是什麽(me) ？我們(men) 在地表麵看到很多海洋，波濤洶湧。我們(men) 也看到對流層大氣裏有雲(yun) 、雨、風，五彩繽紛，冬天有雪，到熱帶地區有很多暴雨。在對流層10公裏以上，還是有很多的大氣，這就是我們(men) 經常講的中高層大氣。這個(ge) 大氣不是一個(ge) 靜態的，也有溫度、密度和風場的變化，所以它被形象地比喻為(wei) 神秘的、高空的海洋。

　　人類活動的空間，按照溫度區分為(wei) 幾個(ge) 層，對流層就是10公裏以下的空間，這裏麵主要的現象有雲(yun) 、雨、雪，直接和水相關(guan) 。所謂的對流層就是它在垂直方向上有劇烈的運動，叫對流。在10公裏以上，或者20-50公裏，這一層叫平流層，這一區域大氣的流動基本上以水平流動為(wei) 主。在平流層以上50-90公裏的地方稱之為(wei) 中間層，這兩(liang) 個(ge) 區域就構成了所謂的中高層大氣的主要區域。這個(ge) 區域的大氣是變化的，跟地表對流層大氣的變化一樣。中高層大氣的頂端，從(cong) 90公裏開始，上麵就稱之為(wei) 電離層，90公裏以下大氣都是中性成份為(wei) 主；90公裏以上出現部分電離，一千多公裏到幾千公裏完全電離，叫磁層。隨著能量的不斷注入，電離層的帶電粒子往下沉降，也會(hui) 改變中高層大氣的狀況。這個(ge) 大氣層我們(men) 看不見，或者我們(men) 不大習(xi) 慣在這個(ge) 區域裏麵生活和發展。但是這個(ge) 區域大氣離我們(men) 如此之近，而且這個(ge) 大氣裏麵的變化也是如此的五彩繽紛。

    臨(lin) 近空間在過去為(wei) 什麽(me) 研究得少？ 

　　【外景】 

　　竇賢康：現在我們(men) 到35公裏，信號還是比較強。

　　工作人員：這個(ge) 顯示的是5到35公裏。

　　竇賢康：5到35公裏。

　　現在能不能把它的分辨率搞得更低呢，現在新的口徑是80厘米。

　　工作人員：可以，這個(ge) 我們(men) 記錄的時候都按7.5米記的。

　　竇賢康：按7.5米記。

　　工作人員：累計一下，分辨率可以調。

　　竇賢康：可以調，對。

　　工作人員：而且這個(ge) 臨(lin) 風層也比較清楚。

　　竇賢康：臨(lin) 近空間為(wei) 什麽(me) 在過去研究得比較少？過去這個(ge) 區域內(nei) 人類活動比較少。空間物理研究比較奇怪，兩(liang) 頭搞得比較清楚，中間不明白。空間物理研究是從(cong) 對流層開始一直研究到太陽表麵。在幾百公裏、幾千公裏搞得比較清楚，因為(wei) 有大量的衛星運行，通過探測可以把這個(ge) 地區的狀況搞清楚。太陽表麵可以通過觀測設備搞清楚，地麵10公裏以下有各種各樣的雷達可以搞得很清楚，唯一不太清楚的就是從(cong) 地表麵開始20-100公裏的區域。因為(wei) 大氣非常稀薄和幹淨，沒有反射物，很難探測，導致這個(ge) 區域的研究相對滯後於(yu) 其他領域。

　　為(wei) 什麽(me) 要加強對中高層大氣的研究？ 

　　中高層大氣裏既然大氣這麽(me) 稀薄，怎麽(me) 樣去探測這樣一個(ge) 大氣海洋，這是擺在空間物理學家麵前一個(ge) 非常難的課題。難在哪？衛星下不來，衛星的軌道高度是不能太低的。在低軌道上，很難維持衛星長期有效的運轉，通過衛星的運動，判斷大氣的狀況變得不可能了。因為(wei) 高度很高，地麵的設備，探空氣球又很難飛到幾十公裏以上的高度。正因為(wei) 這些原因，導致我們(men) 在這些區域裏麵探測存在一些困難。探空火箭非常好，可以把穿越軌道上的大氣要素搞清楚，它的優(you) 點是時間精確度很高，缺點是它造價(jia) 很高，打一次探空火箭需要幾百萬(wan) 人民幣，所以不能反複地打火箭，導致人類對這個(ge) 區域的探測處於(yu) 相對空白的狀態。

　　從(cong) 普通雷達到激光雷達 

　　在講探測大氣之前，給大家做一個(ge) 科普性的介紹。大家知道我們(men) 探測所有的東(dong) 西，進行遙感探測，進行遠距離探測常用的是雷達。二戰時期，德國和英國作戰，德國的空軍(jun) 力量比較強大，但是英國發明了雷達，它發出一個(ge) 電磁波，碰到一個(ge) 物體(ti) 的時候會(hui) 反射回來，你利用發射波和接收波之間的時間差，乘上光速再除以2，大概知道反射物在什麽(me) 位置。根據發出的電磁波，它反射回來波的能量的大小不同，大家可以想象一下，一個(ge) 小球和一個(ge) 大球，在同樣距離上，發一個(ge) 電磁波，獲得的能量是不一樣的。通過雷達波返回的時間差和返回能量的高低，可以大體(ti) 上反映飛機的位置，這樣能夠準確地知道德機來襲的數量以及它現在飛機所處的位置，這樣再去防衛和攻擊變得比較有效。

　　雷達基本原理用下來，人類的無線電波，大體(ti) 上有米波、厘米波、毫米波等各種各樣不同波段的波。一個(ge) 波打到一個(ge) 物體(ti) 上，當波長比物體(ti) 大很多的時候，返回的能量是比較小的。物體(ti) 本身有比較強的回波，發射出來一個(ge) 波，大體(ti) 上和探測物體(ti) 的尺寸相當。現在探測一個(ge) 飛機比較容易，因為(wei) 飛機很大。但是如果我們(men) 去探測高空大氣，在10公裏以上，20、30公裏之間，還有一些火山各種因素導致的氣溶膠，隻要有氣溶膠，波打上去回波就很強。

　　再往上，30公裏以上，隻有純淨的大氣，這裏邊所有顆粒的尺寸多大呢？10的負9次方到10的負10次方米，這個(ge) 地方隻有空氣的分子。在低空探測可以探測雨滴和雲(yun) 滴，但是雨滴再小比空氣分子的尺寸要大很多，所以可以用厘米波雷達探測它，有雨滴的時候，可以用厘米波，甚至用更長的波段探測，但是在30公裏以上，就沒有別的更好的辦法了。這個(ge) 時候大家可以想象得出來，這個(ge) 層麵上唯一能做的是用激光探測它，因為(wei) 激光的波長大致上和分子的尺度相當。

　　【外景】 

　　工作人員：可以看到它這裏麵有點重力波的信息，有點波動。

　　竇賢康：對，有點。它有點上下波動。

　　工作人員：要認真分析一下。

　　竇賢康：這次在做實驗的時候，跟他們(men) （探空）氣球比對了嗎？

　　工作人員：比了，非常好。效果很好。

　　竇賢康：效果很好，是吧？

　　工作人員：這回是背靠背的。

　　竇賢康：好的，這樣我覺得可能到將來我們(men) 再為(wei) 它研製一些，到這個(ge) 雷達後邊的光學，看看信噪比能不能再提高一點，提高可以把雷達做得更小。

　　竇賢康：激光還有兩(liang) 個(ge) 非常重要的特性。首先有非常強的方向性。另外，激光有非常好的頻率的單色性。如果激光的單色性不好，會(hui) 有大量的太陽相關(guan) 波段附近的能量隨著激光同時回來。激光雷達的基本原理，發射一個(ge) 激光，向空間穿越的過程裏，會(hui) 在路徑上受到大氣的散射。在不同高度的大氣，不同時間散射回來的，後麵利用簡單的接收光路可以把激光穿越大氣的狀態準確地搞清楚。

　　對於(yu) 探測中高層大氣而言有幾種辦法：一種是激光雷達，一種是微波雷達，一種是探測火箭。隻有激光雷達能夠覆蓋從(cong) 近地麵到100公裏，現在正在做國際上最好的激光雷達。

　　這一部分工作是過去二三十年間，進行激光雷達探測的主要進展。根據回波的能量，可以把大氣溫度、密度測出來，武漢大學山頂上的光可以打到80-100公裏，根據重金屬原子的共振、熒光的吸收，可以看出中高層頂的大氣狀況。

　　中高層大氣風場探測難在哪？ 

　　竇賢康：中高層大氣的風場探測難度在哪呢？中高層大氣它在運動的過程裏麵，學過熱學大家知道，在我們(men) 現在的房間裏，在室溫的條件下，這裏氣體(ti) 分子在雜亂(luan) 無章地運動，運動的平均速度是500米每秒。放到高空之後，大氣裏麵的分子各個(ge) 方向的運動都有。有一個(ge) 宏觀的整體(ti) 運動，就是我們(men) 能夠感覺到的風，在雜亂(luan) 無章運動過程裏，我們(men) 激光打過去，是每一個(ge) 大氣分子散射的總和，這樣大家可以看到黃色的一部分。激光打上去之後，即使是完全單色的光，回來之後，由於(yu) 氣體(ti) 分子在視線方向上，有的遠離你去，有的向你撲過來，而且速度很快，比它宏觀運動要大得多。

　　這個(ge) 情況下接收到的激光本身，就是圖上的黃色部分，是有幾個(ge) 赫茲(zi) 的展寬。假設大氣不動就會(hui) 得到一個(ge) 穩定的譜，但是這個(ge) 譜是一個(ge) 理想的譜。由於(yu) 我們(men) 電子器件的原因，要得到的圖是抖動的圖，邊是不光滑的，是帶有毛刺的，假設大氣不動的話得到這樣的譜（理想的譜）。如果大氣運動，這個(ge) 譜就會(hui) 左移或者右移。如果移動帶來每秒10米的風速，移動會(hui) 非常小。因為(wei) 譜本身是由於(yu) 熱運動速度導致的，是幾百米每秒量級帶來的展寬。當風速很小，要將風速測量精度提得很高的時候，黃色的移動部分很小，而且黃色本身又是不光滑。抖動是由於(yu) 移動導致的，還是由於(yu) 信號本身晃動導致的，就很難判定。這是大氣裏麵，測風速最難辦的問題。

　　【外景】 

　　竇賢康：現在白天觀測做完以後，我覺得基本上除了正午以外應該都沒什麽(me) 問題了。

　　工作人員：對。一宿基本都是連續下來的，然後到了早上七點鍾的時候天就亮了，有點暗了。

　　竇賢康：現在按照這個(ge) 設計指標的話，如果白天觀測部分做完的話，那個(ge) 信噪比能提高多少呢，就是能把這個(ge) 噪聲的指標壓低多少？

　　工作人員：現在我感覺應該能壓到跟晚上是一樣的。

　　竇賢康：接近一樣。

　　竇賢康：我們(men) 攻克了這些技術以後，開始研製出成體(ti) 係的測風激光雷達。這是國際上並行做的測風激光雷達工作的幾家單位，左上角的雷達放在法國的普羅旺斯地區，也是我當時在法國留學的實驗室。這個(ge) 設備的意義(yi) 很大，是人類曆史上第一次可以檢測到60公裏以上大氣的風場。中間是美國做的測中高層大氣風場設備，右上角的衛星是進行全球大氣風場的測量。

　　到目前為(wei) 止，我們(men) 還沒有辦法去測量全球的風場。如果要進行全球風場的測量，全球要布多少雷達才能測得出來？所以進行全球風場的測量必須用衛星。這是很早一段時間，計劃中世界上首台測風激光雷達。放一台到衛星上去，通過衛星軌道的變化，對全球中高層大氣，包括平流層、對流層的風場進行全球測量。

　　從(cong) 激光雷達到量子激光雷達 

　　【外景】 

　　工作人員：這邊是一個(ge) 新機理的實驗。大起來它要複雜得多，我們(men) 用到了聲波、電光、調製，然後這樣我們(men) 要比對手又要降五十倍的功率，我們(men) 要實現一樣的高信噪比的探測。

　　竇賢康：歐洲在上個(ge) 世紀末，提出了著名的“風神計劃”，把激光雷達放到衛星上進行全球風場的測量。要進行全球風場的測量，就必須要通過衛星來做，歐洲這個(ge) 計劃成形的時間已經非常長。大概是90年代末提出來的這樣一套係統，提出到今天，這個(ge) 計劃已經被推遲發射好幾次，它的原因在哪？因為(wei) 既然從(cong) 高空往底下來進行探測，就需要比較強的激光，激光能量越來越大的時候，往往會(hui) 把光路裏麵的某一個(ge) 鏡片燒壞。在這樣的過程裏，激光雷達在地麵很容易做，燒壞了擰下來換一個(ge) 就可以重新開始工作了。但是衛星上不行，因為(wei) 上麵沒有人，沒有辦法更換器件。

　　如何在大功率條件下，實現穩定地、長期地觀測，就變成是一個(ge) 難題。這樣前提下我們(men) 有另一個(ge) 辦法，發展出來一套係統，叫量子激光雷達，這也是我個(ge) 人做到今天的科研工作裏最得意的一件事情。

　　【外景】 

　　學生：校長，您好，我有一個(ge) 問題，就是量子激光雷達跟傳(chuan) 統雷達原理上有什麽(me) 不同，它有什麽(me) 比較顯著的優(you) 點嗎？

　　竇賢康：傳(chuan) 統激光雷達，要通過提高能量和提高接收望遠鏡的麵積來實現，但量子激光好在哪？我通過單光子的操作，可以降低它的噪聲水平和提高它的工作效率。實現過去傳(chuan) 統上通過能量提高和望遠鏡口徑提高，來實現性能上的提高。後麵我們(men) 通過超導的辦法，能夠把它非常弱小的信號檢測出來，我們(men) 的提取和檢測都基本上做到極致，這就是基本上目前技術條件下，我們(men) 能想象出來的激光雷達極限。

　　【提問】 

　　學生：您好，剛才您提到量子激光雷達是探測中高層大氣的利刃，您認為(wei) 我們(men) 國家大概什麽(me) 時候能夠完成星載激光雷達？

　　竇賢康：量子技術最突出的優(you) 點，有比較高的探測效率，這也是將來能夠上星非常重要的步驟，現在通過科學院的“鴻鵠計劃”，先把它放到球載技術上做。

　　【新聞報道】 

　　中國科學院A類戰略性先導科技專(zhuan) 項“臨(lin) 近空間科學實驗係統”（簡稱“鴻鵠專(zhuan) 項”）日前啟動。鴻鵠專(zhuan) 項將突破一係列關(guan) 鍵技術，建成我國首個(ge) 臨(lin) 近空間科學實驗係統。

　　竇賢康：球載做完以後把它安全性、可靠性、穩定性驗證完之後，我有一個(ge) 夢想，這輩子能在科技上幹成的最後一件事情，希望能把中國的星載測風激光雷達做出來。