“南方正在遭受暴雨的侵襲，而北方一些地區(qū)卻干旱肆虐，這是何原因，我們該如何去認識?”
“灰霾問題困擾人們幾年了，其來源是什么，究竟有哪些污染排放物，這些污染物的時空分布特征變化又是如何?”
盡管地球已經(jīng)有46億年了，但是往往以“當局者”身份存在的人類對這個天然家園的認識還十分有限。在前不久舉行的第36屆國際地球科學與遙感大會上，中外科學家提出了一系列既讓人熟悉又感到陌生的問題，其中有的問題至今還沒有答案。
50多年前漸漸興起的“遙感”技術——一種非接觸的、遠距離的探測技術，給人類成為地球的“旁觀者”提供了新的可能。因這項技術而衍生的“遙感”衛(wèi)星，則為上述問題的解決提供了一種“看得見”的方案。
同樣是在這個遙感領域最高規(guī)格、最大規(guī)模、最具影響力的學術會議上，與會科學家透露出該領域目前最前沿的研制方向以及具體計劃，中國也不例外。國家航天局副局長吳艷華透露，未來10年，我國將發(fā)射包括遙感、通信、導航衛(wèi)星在內的近百顆衛(wèi)星，其中，遙感衛(wèi)星占比超過一半——灰霾衛(wèi)星、中法海洋衛(wèi)星、全球水循環(huán)觀測衛(wèi)星、高分三號、高分五號等。
這些“星”將在未來如何影響人類對于地球的認知?記者采訪了與會專家進行解讀。
中法海洋衛(wèi)星：多度觀測，解密海洋
何謂遙感衛(wèi)星?國家航天局原局長、中國工程院院士欒恩杰對此有過一個通俗的解釋，他用《中庸》里的“致廣大而盡精微”來描述：致廣大，指遙感衛(wèi)星登太空之“高”望“遠”，看得廣大;盡精微，指憑借高空間、時間、光譜、溫度分辨率，遙感衛(wèi)星能抓住物體細小的特征，捕捉細微的變化。
簡單地說，遙感衛(wèi)星就相當于一個對著地球觀測的大眼睛。在對地球進行觀測時，科學家們習慣將地球的外部圈層分為大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈。而針對不同的圈層，有越來越多的遙感衛(wèi)星“各司其職”，進行觀測。
大會主席、中國科學院國家空間科學中心主任吳季表示，中國現(xiàn)在擁有很多遙感衛(wèi)星，如氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星，它們在不斷為科學家和用戶提供地球各方面的數(shù)據(jù)。這其中，能夠直接觀測相關災害的中法海洋衛(wèi)星“CFOSAT”格外引人注目。
在探索海洋的路上，使用測量船和地面觀測站是人們所熟知的方式，但海洋衛(wèi)星卻有著獨特優(yōu)勢。中國科學院院士、復旦大學教授金亞秋告訴記者，由于在“天上”飛著，海洋衛(wèi)星時刻圍著地球觀測，能夠從全球角度、多尺度地獲取遙感數(shù)據(jù)。
具體到中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)，它的身上搭載著兩位“乘客”：由中方負責的監(jiān)測海面風場的微波散射計(SCAT)和法方提供的監(jiān)測海浪高度和方向譜的海波浪譜儀。這兩位“乘客”在國際衛(wèi)星遙感應用史上都是首次“露臉”，這使得它們提供的信息和數(shù)據(jù)將是全新的，而全新的數(shù)據(jù)意味著更多未知被探索到的可能性。
金亞秋舉了一個例子，當海面起風時，微波散射計能夠立刻測量到回波、輻射量以及溫度的變化。而從這些測量值可以推算出海面風場發(fā)生了什么變化，以及海風、海浪等級是多少，方向是什么，甚至還可以推算海水鹽分的變化。
除了針對基本物理數(shù)據(jù)的觀測，CFOSAT衛(wèi)星還將在國際上首次開展海洋風浪相互作用的聯(lián)合觀測。金亞秋說，這將在海洋預報、災害監(jiān)測預報和海洋科學研究等方面發(fā)揮重要作用。目前，CFOSAT衛(wèi)星初樣階段的研制工作已經(jīng)完成，將于2018年正式發(fā)射。
全球水循環(huán)衛(wèi)星：宏觀觀測，精確數(shù)據(jù)
全球水循環(huán)觀測衛(wèi)星(WCOM)計劃是另外一個備受矚目的衛(wèi)星計劃，這是國際上第一個對全球水循環(huán)關鍵要素進行系統(tǒng)性綜合觀測的地球科學衛(wèi)星計劃，可從全局角度觀測整個水循環(huán)系統(tǒng)，得出更精確的數(shù)據(jù)，進而推進相關的災害、水資源分配問題的解決。
大氣圈的水體通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水等方式，將地球的圈層有機聯(lián)系起來，形成了水循環(huán)系統(tǒng)。中科院遙感與數(shù)字地球研究所研究員施建成表示，目前南方水災泛濫，以及很多地方的干旱，都屬于水循環(huán)特征在發(fā)生區(qū)域變化所造成的現(xiàn)象。
但目前來看，在水循環(huán)系統(tǒng)的遙感觀測領域，對于以降水、洪澇為例的各要素觀測和預報的精度都不夠高——在觀測方面，只知道大的趨勢，比如撒哈拉沙漠比較干，南方降雨多一點。精度不高的原因，很大程度上要歸結于對水循環(huán)這一大的系統(tǒng)缺乏整體的認識。
根據(jù)施建成的說法，目前國際上先進的遙感觀測衛(wèi)星，大多只關注水循環(huán)系統(tǒng)中的某一要素。比如，關注降水的衛(wèi)星，只能描述出衛(wèi)星過境時降水狀況，卻難以給出降水帶來的土壤水分儲存量。他說，由于各環(huán)節(jié)相互關聯(lián)，對一個要素參數(shù)的優(yōu)化，通常會把誤差帶到下一個環(huán)節(jié)的計算中，這就使得整體地、同步地觀測水循環(huán)各要素的數(shù)據(jù)顯得十分重要。
WCOM計劃就是這種背景下提出來的。相比對各要素的觀測，這顆衛(wèi)星更關注全球變化背景下，水循環(huán)各要素的時空分布特征、變化規(guī)律以及對于全球變化的響應和反饋。
在這一計劃中，WCOM衛(wèi)星身上將安裝3個傳感器，針對水循環(huán)系統(tǒng)內的5個參數(shù)進行觀測。施建成說，這些數(shù)據(jù)之間可以互相校正，以達到精確數(shù)據(jù)的目的。比如，在特別關注土壤水分的參數(shù)時，植被的數(shù)據(jù)和土壤粗糙度的數(shù)據(jù)也會一起出現(xiàn)。在WCOM三個傳感器組合下，各觀測要素的精度將會大幅提升，并為水循環(huán)相關預報模型的改進提供了新的機遇。如果一切順利的話，以“整體性”見長的WCOM還將走向更大的“整體”——國際“星座計劃”。
“地球上的科學問題，不是某一個單獨的國家可以解決的。”施建成透露，WCOM將與其他國家發(fā)射的衛(wèi)星一起形成“星座”，聯(lián)合觀測全球水循環(huán)特征，可使全球不同地區(qū)所有的水循環(huán)時空分布特征和變化得到更全面的觀測。
一些與此相關的生活、生產(chǎn)問題也有望得到改觀。比如，城市水源來自哪兒，每個水源能養(yǎng)活多少居民，這些數(shù)據(jù)會因為WCOM衛(wèi)星而顯得更加清晰。據(jù)透露，該計劃目前已進入工程答辯階段，預計2019年到2020年發(fā)射衛(wèi)星。
月球對地觀測：唯一視角，更多可能
月球是地球唯一的自然衛(wèi)星，也是人類目前唯一能夠抵達的地外星球。在人造衛(wèi)星之外，利用這顆自然衛(wèi)星開展對地球的遙感觀測，有著諸多的優(yōu)勢和不可替代性。
中科院院士、中科院遙感與數(shù)字地球所研究員郭華東在接受記者采訪時說，把月球作為對地觀測平臺，形成對地球宏觀科學現(xiàn)象的動態(tài)、長周期觀測能力，可獲取星載(人造衛(wèi)星)對地觀測技術難以得到的科學信息，開辟了全新的對地觀測科學與技術方向。
具體來說，一方面，月基對地觀測具有覆蓋范圍大、平臺壽命長、多圈層立體探測等優(yōu)勢;另一方面，月球圍繞著地球運動，有一面總是面向地球，是難得的“大衛(wèi)星”平臺資源，是觀測宏觀科學現(xiàn)象的理想平臺。
此外，月球對地觀測有著天然的綜合性優(yōu)勢。畢竟，月球表面積遠遠大于任何的人造衛(wèi)星，因而在月球上布設遙感器，不用考慮載荷多少、大小，重量等等，可同時置放很多不同類型的遙感器，形成主被動、全波段同步觀測的能力，對于觀測大尺度地球科學現(xiàn)象——全球環(huán)境變化、陸海氣相互作用、板塊構造及固體潮、三極對比研究等會有深入的認識，并有可能觀測到先前未知的科學現(xiàn)象。
簡而言之，月基對地觀測的整體性、長期性、穩(wěn)定性、唯一性四大優(yōu)勢和特點，在郭華東看來，有望給空間對地觀測帶來一場革命。
當然，月球為對地觀測帶來諸多優(yōu)勢的同時，也不可避免地帶來一些挑戰(zhàn)。首先，它必須建立在對月球成熟開發(fā)的基礎上，具備形成月球基地的條件;其次，作為地球人共同擁有的自然衛(wèi)星，國家間的共享共建是十分重要的，這也決定了未來的月基對地觀測應該是一個具備相當規(guī)模的國際合作科技計劃。
據(jù)郭華東透露，目前月基對地觀測還處在論證階段，科學家們在進行相關的預研究。 (來源|中國青年報)
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