已经迈向深空的我们,为什么还要研究高空大气?（二）

如何探测高空大气？

　　最近，随着激光雷达系统的发展，我们终于可以对中高层大气进行探测。过去用微波进行观测，其波长为10-2米，这对分子尺度10-8—10-10米的高空大气是无能为力的。

　　激光雷达被认为是目前探测高空大气最有力的手段。雷达发射激光后，激光遇到中性成分会被散射回来，散射回来的能量数据中含有大气密度的信息，而散射回来的频率变化，是大气运动速度的一个表征。

　　最具挑战的激光雷达探测

　　——风场探测激光雷达

　　探测能量是比较容易做到的，发射一束激光，返回来的能量有多少，是比较容易测量的。但是我们难以想象，现在世界技术发展这么快，但天气仍然是很难精确预报的，我们缺少动力学参数，不清楚大气在往哪跑、怎么跑。过去只能在地面做零星的观测，截至目前，国际上还没有一个全球范围大气风场的测量技术。欧洲和美国在推进星载，通过卫星星载测大气的风场。

　　大气有云有雨的时候好测，通过微波雷达就可以测，而晴空时，即便对流层大气密度很高，微波的回波能量也很小，所以必须通过激光雷达来测。但是激光雷达也有一定的问题。

　　气体分子有热运动，所以打出一束光时，返回来的光会有频率展宽，这个展宽大概是几G赫兹。如果大气再一动，有什么效应呢？整个展宽会平移。比如，气体分子在移动的时候，整个频率会频移，向高频方向运动，两个峰之间错了位，中间峰的变化量就是风场导致的。但是任何一种探测方式下，这两个峰都不是完全理想的形状，它在不断的抖动，所以就无法知道峰偏移了多少。进行直接的风场探测是比较难的。

　　有一种解决方法是不直接测峰，通过标准距的方式，在另外两个频率上用标准距锁定，一旦有风场变化，通过另外两个标准距的能量就可以知道发生变化了。假设中间没有风场，两个标准距提供的能量是一样的，而如果发生偏移，透过的能量就有差别了。利用能量的差别来测量风场的变化，这就是所谓的“双边缘技术检测微小激光频率移动”。

　　利用这个办法，可以测出全球的风场。图上这套设备是我们在“863计划”支持下完成的——自主的高空风场车载测风激光雷达，可以测量60公里高度的大气风场。

　　大气探测的“量子”技术

　　我的研究团队和潘建伟、张强等量子方面专家团队的合作得益于中国科大的特色交叉学科研究与建设项目。因为传统的激光雷达有一个无法解决的难题——白天如何观测。白天太阳光太强，会极大降低激光雷达的信噪比。

　　所以为了提高信噪比，之前采用过一种做法是把激光器能量做得越来越高，把望远镜口径做得越来越大，这样就能接收到更多的能量。但是这无疑是非常昂贵的，一米口径望远镜和两米口径望远镜的价格就有巨大的价格差了所以一味地去提高望远镜面积和激光器能量，会有很大局限。这不仅是钱的问题，还会在效果上非常有局限性。对于星载测风雷达来说，在卫星上是不能放很大口径的望远镜的，也不能使用很高能量的激光，激光能量会把光路打坏的。

　　所以和张强等人合作后，我们另辟蹊径，提出利用量子探测的激光雷达新思路。举个简单的例子，在大气探测里，一般最好是用红外光。因为太阳光里红外能量部分比较少，使用红外光，太阳光产生的噪声比较小。但因为目前红外探测器性能比较差，导致红外返回来很难探测。我们就利用单光子频率转换技术，把红外光转换成863纳米的光，在转换的过程中同时用单光子操作，就可以把光频附近的太阳光压掉，这样整个信噪比都可以提高。最后在同样的望远镜大小和同样的激光器的面积下，新技术将探测距离增加了3倍。

向更高的高度拓展

　　激光雷达可以探测70公里、80公里、90公里，但这还远远不够。目前国际上还没能做出来能在几百公里高度上工作的激光雷达。但是这又很关键，因为太阳风和地球空间相互作用以后，会影响到中高层大气，这是作为研究人员们之后需要搞清楚的。

　　我们国家现在有一个计划“国家大科学工程”，其中之一就是子午工程。我本人是子午工程二期的首席科学家，我们要做的就是在地面上建立各种各样的设备，激光雷达、无线电探测设备等等。这其中，有两个亮点工作是值得提出来的。

　　第一个就是在三亚建一个非相干散射雷达，探测几百公里高度大气里的电子和离子浓度，尤其是电子浓度。带电粒子在中心气体里运动，会改变中心气体的状态，所以这是非常重要的工作。

　　第二，我们正在做全球第一台阵列式大口径氦激光雷达。这是我们子午工程里最核心的设备之一，也是子午工程里我个人觉得最有原创性的工作，大部分设备都是我们完全自主可控的设备。

　　如果我们能够做出来，我们国家将是国际上首个能探测到一千公里高度的中性氦原子的国家，这将填补科学在200公里以上热层中性大气认知上的空白。这项工作离不开科研人员们的默默研究，更需要更多学科领域学者们的关注，群策群力，共同攻坚。

　　注：本文内容根据窦贤康院士于墨子沙龙现场演讲编译整理而来。