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3D新视角!NASA卫星给地球拍张“立体照

时间:2019-08-18

来源:“中国科普博览”公众号(ID:kepubolan)

上个世纪六七十年代起,气象和陆地遥感卫星相继投入使用。从那之后,人类就开始以全新的俯瞰视角观察地球。时至今日,卫星图像能清楚地显示出街道、房屋,甚至车辆和行人的细节。衍生的各类地图软件,也已经成为人们旅游出行必不可少的工具。

然而,科学家们对此还远远不满足。今年9月15号,NASA发射了名为 “爱斯塞特2号(ICESat-2, Ice, Cloud and land Elevation Satellite 2)” 的卫星。它将突破平面摄影的限制,为地球拍摄一张清晰的“3D”照片。

 

图1 爱斯塞特2号运行想象图(图片来源:NASA)


卫星携带一台名叫“阿特拉斯(ATLAS,Advanced Topographic Laser Altimeter System)”的激光测高仪,包括主激光器和备用激光器。阿特拉斯可以发射六束亮绿色激光,高能激光束穿透细碎的云层和雾气到达地面。当激光被地面物体反射时,卫星上的探测器就能捕获信号,从而识别出反射物体。通过这种方式,卫星的探测精度可以达到惊人的70厘米——能够在太空中分辨出街道上跑着的孩童。

爱斯塞特2号的观测目标主要有三类:冰盖、陆地和云层。它重点扫描南北极地的海冰,以及各座高山和高原的冰冻雪层。通过它的监控,我们可以得知冰盖融化速度、冰川质量、海冰厚度等重要信息。

图2 此前NASA已开始一项名为Operation Icebridge的飞机探测项目,检测格陵兰岛及附近的冰层变化。相关数据将用来与爱斯塞特2号比对,以校准卫星。(图片来源:NASA)


当卫星掠过陆地时,它还将扫描森林、湖泊、湿地以及城市地区的高度。由于爱斯塞特2号有极高的灵敏度,它甚至可以精确辨认出森林地面和伸出树林的树冠。通过这些信息,科学家们可以得知一个地区的生物量,并计算出其碳吸收量。当爱斯塞特2号经过城市,它同样记录着建筑、水库、河道、农田等人造物的高度信息。

 

图3 树木测高示意图(图片来源:NASA)


即便浓云蔽日,爱斯塞特2号仍然能够工作。它可以帮助大气科学家收集关于云层高度、密度、成分等信息。对地表形态与大气的进一步了解,还可以让天体测量学家们完善关于地球本身的信息,从而更好地进行观测工作。

卫星将始终处于开启状态,一旦运行,每天都产生数据。当它飞越加拿大北方的冻原,它可以从解冻区地面的沉降判断出永久冻土层的融化;在沿海地区,它报告潮汐涨落;在丛林地带,它记录植被生长的速度……它还能探测火山爆发和地震带来的地面运动,甚至是滑坡和雪崩等更小型的灾害。

 

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剪辑:刘渊默

图像来源:NASA"s Goddard Space Flight Center

背景音乐:Illuminate-Dirk Leupolz

 

这并不是科学家们第一次尝试拍摄3D地球。2003年,爱斯塞特2号的前身ICESat-1发射升空。相比前辈,爱斯塞特2号在许多方面能力大幅增强。它的激光脉冲频率高达每秒10000次,是上一代的250倍;激光光束也由1条增加到6条。这使得它绘制的地图更为精细,覆盖面积也更广。

 

图4 相比于ICESat-1(左),爱斯塞特2号(右)能以更高的网格密度扫描地面。(图片来源:NASA)


尽管爱斯塞特2号每个脉冲都能释放超过20万亿个光子,被地面反射后回到卫星的光子却只有区区十几个。为了收集这少得可怜的反馈,卫星携带一面直径80厘米的望远镜,并安装复杂的滤光和光纤装置。只需捕获1个光子,就能够在探测器中生成信号。望远镜使用了特殊的铍合金材料,尽管结构复杂,却仅重22千克。

爱斯塞特2号的设计周期超过九年,耗资近十亿美元。项目科学代表Tom Neumann说:“爱斯塞特2号使用的技术是镭射激光技术的最前沿。每当我们在设备中应用前沿技术时,总是要花费很长时间测试或调整这些新技术。”

 

图5 工程师Tyler Evans与望远镜(图片来源:NASA)


爱斯塞特2号的激光器能在3.3毫秒内完成一次数据收集,反应精确到十亿分之一秒,对地球进行一次全身扫描只需91天。这一过程将不断重复,以生成动态图像。在它服役期间,我们可以一览地球春夏秋冬的雪融雪落、树木枯荣、河流跌宕……

当然,爱斯塞特2号满足的不只是我们的好奇心,科学家们同样关心如何将其数据投入使用。早在发射之前,研究者们就公开了若干应用前景:它可被用于定位航道中的冰山,预防火山爆发,建立鸟类栖息地模型……

 

图6 博伊西州立大学计划利用爱斯塞特2号数据改进半干旱生态系统的碳含量估算方法(图片来源:BSU)


爱斯塞特2号的研发者们欢迎不同的组织机构参与合作。实际上,它的成果已在多个国家和地区产生了实实在在的价值。在丹麦,风能发电站在它的指导下获得产能最大化。在巴西和台湾,研究者们分别用其数据建立了洪水预防模型和山洪预警系统。意大利环境研究所发展了使用卫星监控空气质量的方法;印度林业部门计划用其评估热带雨林生物量;加拿大环境部则将参考它的数据发布天气预报。在美国本土,科学家们在它的帮助下勘测北极冰层、预防野火、管理草原、监控湖泊水库、绘制近海珊瑚礁……

 

这份应用名单可以写得很长。随着更多数据的产出,爱斯塞特2号必将显现出更广阔的应用前景。


“3D地图”不仅是看待地球的全新视野,更是一次改善人类生活的良机。

 

参考资料:


[1] Molly Brown, Vanessa Escobar, Mark Carroll, Tom Neumann, Michael Jasinski. Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) Applications Plan. 2013.

[2] NASA. NASA Science Program Support Office 2016 Annual Report. 2016.

[3] Sabrina Delgado Arias, Lisa Sheffield Guy, Rebecca Heim, Helen V. Wiggins, Molly Brown. White Papers.

https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/white-papers.

[4] NASA. Assessments of Major Projects Report to Congressional Committees. 2018.


(本文中标明来源的图片均已获得授权)

出品:科普中国

制作:刘渊默

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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