“《科学大家》专栏”

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出品:本科学技术“科学大家”，墨子沙龙

写作:窦贤康中国科学院院士，空间物理学家，武汉大学校长

年是各国航天活动活跃状况高涨的一年。 太阳系的探测活动正在热闹地展开，我国的宇宙飞船也在短短几个月内访问了火星和月球，带回了“特产”。 地面观测活动也很盛行，《中国天眼fast》迎来了服役的第四年，迄今为止，脉冲明星超过240篇，产生了40多篇高水平的论文，很多报道在《井喷》中一次表现了中国天眼的效率。

有些科学家希望不断探索深度空，并填补另一个空之间的研究空白色，即从地面到数百公里高度的区间的大气空之间。 这个地区有什么特别之处吗？ 为什么长时间没有取得大的研究成果？

什么是高空大气？

以前流传下来的大气科学首先研究对流层顶部以下的范围。 对流层的高度大约是10公里，赤道地区有一点例外。 由于受到的太阳辐射能量很大，对流活动上升的高度会比10公里高一点。 极地受到的太阳辐射能量小，所以高度有点低。 这个高度是大气科学研究的范围，从10公里到太阳表面的区域是空之间的物理领土。 我的工作大部分集中在10公里到数百公里的范围内，被称为“高空大气”。

通常，地面雷达检测高度空的大气。 雷达发射电磁波，遇到反射物，电磁波反弹，反弹的电磁波中包含反射物的消息，如大气密度、污染物的浓度。 如果反射物是静止的，反弹回来的电磁波的波长不变，但如果反弹回来的波长发生变化，就可以从其中按压反射物移动的速度。 通常，我们通过返回的能量和多普勒频移，对大气中的一点要素进行密度、成分和速度检测。

举个简单的例子，雨滴的大小是毫米和厘米的数量级，通常可以用电波检测雨滴的分布、密度、雨的强度、雨量。 但是，10公里以上的高度空的大气非常干净，大气中的分子大小大致在10-9、10-10米左右。 这个尺度不能用以前传来的微波雷达探测。 微波雷达为毫米和厘米级，因此遇到10-9和10-10米尺度的物体，电磁波不反射。 换句话说，我们不能通过反射返回的电磁波来知道这个地区的大气状态。 这是中高层大气行业曾经在研究活动中遇到的问题。

为什么要检测高度空大气？

过去我们很少关心高空大气，看看空之间的物理快速发展历史，就会发现一些有趣的事情。 有两个地区。 我们的研究不太清楚。

太阳的表面离我们很远，但在地面和空上，可以用x射线等手段对太阳进行各种成像。 对于太阳的爆炸活动，人类科学技术已经可以进行比较有效的观测。 现在有更先进的技术。 我们可以把探测器放在太阳附近，直接观测磁场、能量流动等太阳活动。

包括雨滴、雨量等在内，在地面附近也容易观测。 但是，两个区域的观测并不容易。 第一个是从太阳表面到地球附近的广阔区域，这很容易理解，离我们很远，所以不太容易观测。

第二个区域离地面几十公里到几百公里的地方。 这个高度为什么难以观测呢？ 高度更高，从几百公里到几千公里、几千公里、几万公里，可以用gps卫星观测。 换句话说，只要是卫星能到达的地区，我们就可以直接进行探测。

但是你可能知道，卫星的高度不能无限降低。 我可以降到一百公里高吗？ 不行。 那里大气密度足够大，卫星受到的阻力很大，所以卫星不能携带足够的能量，所以卫星会受到大气阻力的影响而坠落。

由于几十到二百公里高，探测气球上不去，卫星下不去，这个地区不太容易探测，这也是中高层大气行业研究比较落后的重要原因之一。

地面附近的风，非常大风每秒能达到几十米，这个时候人已经受不了了。 高空大气对地面上的人来说不太容易直接感知，但那确实是流动的大气之海。 受重力的影响，高度越高大气密度越低，原则上高度每上升16公里密度下降1位数。 密度越小，对同样大小的驱动流动性越大。 高空的风速可以达到300-600公里/小时。 所以，高空是流动的大气之海。

那为什么现在这个地区的研究变得这么重要呢？ 这个地区的气球上不去，卫星下不去，人类不在这个地区活动的话，不知道那个就没有任何影响。 但是，近年来情况略有不同，现在这个地区有各种接近空间的飞机，另外，飞机今后增速的情况下，需要进入更高的空间。

除了大大气电阻外，该区域部分电离的成分多，带电粒子多。 电磁波通过该区域时，会发生各种干扰，影响我们的通信和导航精度，威胁到接近空之间的安全。 随着人类空之间活动的扩大，在开始利用这种“既不高也不低”的地区后，明确该地区内的大气研究的必要性提高，迫在眉睫。

如何检测高空大气？

最近，随着激光雷达系统的迅速发展，我们终于可以探测到中高层大气。 用以往的微波观测，波长为10-2米，对分子尺度10-8—10-10米的高度空大气无力。

激光雷达现在被认为是探测高空大气的最有力手段。 雷达发射激光时，激光的中性成分散射回来。 散射的能量数据包括大气密度的消息。 散射的频率变化是大气运动速度的特征。

最具挑战性的激光雷达检测

——风场探测激光雷达

检测能量比较容易，发射激光，比较容易测量返回的能量有多少。 但是，我无法想象现在的世界技术发展迅速，但天气还很难准确预报，动力学参数不足，大气跑到哪里去了，怎么跑。 迄今为止只能在地面上进行理发观测，但迄今为止，国际上没有一项世界规模的大气风场测量技术。 欧洲和美国推动星星，通过卫星测量大气风场。

大气有云的情况下下雨就容易测量，可以用微波雷达测量，但晴天空的情况下即使对流层的大气密度高，微波的回波能量也很小，所以必须用激光雷达测量。 但是激光雷达也有一定的问题。

气体分子有热运动，所以照射光后返回的光的频率会扩大。 这个扩散只有几g赫兹。 如果大气再动一点，有什么效果呢？ 整个宽度都会平移。 例如，气体分子移动时，频率整体偏移，向高频方向运动，两个峰之间偏移，中间峰的变化量的几个由风场引起。 但是，无论哪种探测方法，这两个峰都不是完全理想的形状，而是不断地摇晃，所以峰有多偏离是不知道的。 进行直接的风场探测比较困难。

一种处理方法不直接测量峰值，而是以标准距离的方法，在另外两个频率下以标准距离锁定，当风场变化时，可以知道其他两个标准距离的能量发生了变化。 假设中间没有风场，两个标准距离提供的能量是相同的，如果发生偏差，透过的能量就会产生差异。 利用能量的差异测量风场的变化，即所谓的“基于双边缘技术的微小激光频率的移动检测”。

利用这种方法，可以测量世界风场。 这张图是我们在“863计划”的支持下完成的，利用自主的高度空风场车载测风激光雷达，可以测量60公里高的大气风场。

大气勘探的“量子”技术

我的研究小组与潘建伟、张强等量子方面的专家小组的合作受益于中国科学大学特色交叉学科的研究和建设项目。 因为以前传来的激光雷达有无法处理的问题。 白天怎么观测？ 白天太阳光太强，激光雷达的信噪比大幅下降。

因此，为了提高信噪比，以前使用了越来越高的激光能量，越来越大的望远镜口径，接收越来越多的能量的方法。 但是，这确实非常昂贵，1米口径望远镜和2米口径望远镜的价格大幅度差，所以只要提高望远镜的面积和激光的能量，就有很大的限制。 这不仅是钱的问题，效果也非常有限。 对星载测风雷达来说，卫星上不能放置大口径望远镜。 另外，也不能使用高能量的激光。 激光能量会破坏光路。

因此与张强等人合作，我们开辟了另一条道路，提出了利用量子探测的激光雷达的新构想。 举个简单的例子，大气探测中通常最好使用红外光。 因为太阳光中红外能量的部分很少，所以采用红外光，太阳光产生的噪声很小。 但是，现在的红外线检测器性能差，所以即使红外线回来也不容易检测。 我们利用单光子频率转换技术，把红外光转换成863纳米的光，在转换过程中用单光子操作的话，可以使光频率附近的太阳光电压下降，提高信噪比整体。 最后，同样的望远镜大小和同样的激光面积，新技术把检测距离增加了三倍。

向更高的高度展开

激光雷达能探测70公里、80公里、90公里，但这还不够。 现在，国际上还没有制造出能在数百公里高度从事的激光雷达。 但这很重要。 因为太阳风和地球空的相互作用之后会影响中上层大气。 作为研究者们，这有必要在以后明确。

我们国家现在有“国家大科学工程”的计划，其中之一是原创工程。 我是子午线工程二期的首席科学家，我们必须在地上建设各种设备、激光雷达、无线探测设备等。 其中有两项亮点业务。

一是在三亚建设非相干散射雷达，检测数百公里高的大气中的电子和离子浓度，特别是电子浓度。 带电粒子在中心气体中运动，改变中心气体的状态，这是重要的事业。

其次，我们正在制造世界上第一台阵列式大口径氦激光雷达。 这是我们子午工程中最核心的设备之一，在子午工程中我个人感觉最独创的工作，大部分设备是我们完全可以自主控制的设备。

如果我们能做到的话，我们国家是国际上第一个能检测到千公里高度中性氦原子的国家，这将填补科学在200公里以上热层中性大气认识上的空白色。 这项事业离不开科研人员的默契研究，要引起越来越多学科行业学者的关注，分组，共同突破难关。

注:本文复印件是窦贤康院士在墨子沙龙编辑整理现场演讲的。