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“極目一號”浮空器
近日,由中科院空天信息研究院研制的系留浮空器——“極目一號”浮空器在西藏納木錯地區(qū)成功挑戰(zhàn)海拔7003米的高度。這也是世界范圍內已知的同類型同量級浮空器駐空高度的世界紀錄。
執(zhí)行此次科考任務的是第二次青藏科考水汽傳輸科考分隊。科研人員在納木錯多圈層綜合觀測站開展區(qū)域水循環(huán)觀測研究,利用“極目一號”浮空器綜合觀測地表至海拔7000米高空的大氣水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和大氣甲烷含量等大氣組分,首次獲得了青藏高原海拔7000米高空的大氣組分變化科學數(shù)據(jù)。
揭示“亞洲水塔”水的來源
“浮空器上到海拔7000米以上測大氣中的水汽穩(wěn)定同位素,在世界上是第一次,在青藏高原上更有它的特殊意義?！敝锌圃涸菏俊⒌诙吻嗖乜瓶际紫茖W家姚檀棟介紹,青藏地區(qū)是西風和季風相互作用的地區(qū),而納木錯地區(qū)又是西風季風相互作用的轉換地區(qū),“對于整個亞洲水塔的水汽來源,西風和季風分別起多大作用,這是個新問題?！?/p>
納木錯是青藏高原第二大湖泊,位于藏北羌塘高原東南部,湖面海拔4718米。納木錯流域地處青藏高原腹心地帶,是第二次青藏科考包括長江、怒江、色林錯、納木錯在內的“兩江兩湖”區(qū)域重要的觀測地?！敖搭^的水,從大氣的水,到冰川、凍土、湖泊、地下水的轉換過程,我們要搞清楚?！币μ礂澱f,這次通過浮空器現(xiàn)場觀測,發(fā)現(xiàn)了從東南方向來的水汽輸送,這超出了過去對印度季風輸送高度的傳統(tǒng)認識。
青藏高原作為世界第三極,是僅次于南極、北極的冰雪儲地。亞洲十多條大江大河發(fā)源于此,供養(yǎng)了世界上五分之一的人口。當前,第三極大部分冰川正在退縮,湖泊正在擴張,氣候變化加速改變著這座“亞洲水塔”?！拔覀儽仨毟闱宄搮^(qū)域雪、冰、水的變化,監(jiān)測水循環(huán),以應對各種災害、風險?！币μ礂澱f。
監(jiān)測第三極水循環(huán),除了跟蹤氣溫、濕度、氣壓、降水、風速等傳統(tǒng)氣象要素外,還需要通過測量大氣水汽中氫和氧穩(wěn)定同位素比率來獲得更多關于水循環(huán)的信息?！皹O目一號”浮空器帶回的相關數(shù)據(jù),告訴我們空氣中的水分是如何遠距離輸送,又在大氣邊界層經(jīng)歷了什么樣的變化過程,為揭示“亞洲水塔”水的來源提供了關鍵科學數(shù)據(jù)和新理論基礎,也為全球變暖背景下青藏高原水—生態(tài)—人類活動鏈式變化應對策略的提出提供重要科學理論依據(jù)。
可進行垂直剖面和駐空觀測
執(zhí)行此次任務的“極目一號”浮空器是高原體驗版,體積2300立方米,是我國同量級流線型浮空器在青藏高原的首次成功應用,可攜帶科學探測儀器進行垂直剖面和駐空觀測。
高原體驗版的“極目一號”和普通浮空器有什么區(qū)別?中科院空天信息研究院系留浮空器執(zhí)行隊長張?zhí)┤A告訴科技日報記者,“極目一號”更適應高原復雜的風況,環(huán)境適應性和抗太陽輻照能力更強,平臺的電磁兼容性能作了特殊設計?！安僮飨到y(tǒng)也盡可能半自動化,減少人的體力操作。也研制了無線監(jiān)視系統(tǒng),可以實時監(jiān)視平臺運轉情況和地面氣象情況。”張?zhí)┤A說。
為更好服務第二次青藏科考,中科院空天信息研究院將自主研發(fā)“極目一號”“極目二號”和“極目三號”浮空器。這3款浮空器體積從小到大,駐空高度由低到高,系統(tǒng)復雜和技術難度也逐漸遞增。
張?zhí)┤A介紹,“極目二號”是科考定制版,將為第二次青藏科考量身打造,設計駐空高度為海拔7000米,將在藏東南魯朗站,藏中部珠峰站、納木錯站,藏西部慕士塔格站等多站點通用?！斑@些不同區(qū)域的海拔、濕度、高空風場、太陽輻照情況相差很大,需要從多方面綜合考量,拿出最優(yōu)化的方案?！睆?zhí)┤A說,“極目二號”將于2020年底研制完成。
“極目三號”的目標是技術突破,設計駐空高度將超過珠峰高度,到達9000米。張?zhí)┤A說,9000米高空的空氣非常稀薄,風又大又亂,氣溫最低可達零下三四十攝氏度,對于整個系統(tǒng)來說難度很大?！案】掌黧w積要在6000立方米以上,電子元器件要適應低溫低氣壓環(huán)境,還要防止在干燥空氣中可能產生的靜電積累。而且,還要抵抗每秒20米的大風,根據(jù)空氣動力學特性對艇體要有相應的針對性設計?！睆?zhí)┤A說,“極目三號”的平臺技術難度、駐空高度、攜帶載荷所取得的可能成果,都有望是空前和突破性的。目前正在進行關鍵技術測試和試驗,有望于2021年底研制完成。
同步觀測大氣物理與化學等參數(shù)
浮空器升空過程中,多種儀器將同步觀測大氣物理與大氣化學等多種參數(shù)。第二次青藏科考水汽傳輸觀測分隊介紹,自2017年11月至2019年4月,科考隊已在藏東南魯朗地區(qū)、珠峰地區(qū)利用同類大型浮空器開展了5次水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和甲烷濃度等科學參數(shù)的垂直剖面觀測。
對于廣袤、高海拔、復雜多變的第三極地區(qū)來說,過去沒有條件,靠科研人員的腳步丈量冰川,只能獲取平面二維數(shù)據(jù);現(xiàn)在,長得萌萌的浮空器就像在7000米高空上觀測第三極的眼睛,從第三個維度追蹤水循環(huán),監(jiān)測地面和空中液態(tài)水、冰和水汽的變化。
正是通過監(jiān)測水中的穩(wěn)定同位素,將水蒸氣流引向第三極的兩種氣候模式被發(fā)現(xiàn)——印度季風和盛行西風。印度次大陸在春夏季變暖的時候,大氣對流會將水分從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋吹向北方。這會在喜馬拉雅山脈等地方形成降水。強西風還會將地中海的水分帶到第三極地域的北部和西部。
水汽穩(wěn)定同位素信息記錄下了冰川表面和大氣每天變熱、變冷的時候,水分是如何從中釋放到空氣里的。但目前還有很多問題待解。中科院青藏高原研究所研究員高晶說,例如水在固、液、氣三相間轉化對該區(qū)域水循環(huán)有什么影響;不同過程在區(qū)域水循環(huán)中所發(fā)揮的作用,還缺乏定量的理解;氣溶膠和冰磧物對冰川的積累和融化有什么影響等。
水循環(huán)必須從三個維度進行追蹤和監(jiān)測,同時還要監(jiān)測其變化。浮空器的加盟為回答上述問題提供了可能。（科技日報 記者楊雪）
