俯瞰全球中高层大气的“眼睛”

主讲嘉宾：武汉大学校长 中国科学院院士 窦贤康

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从激光雷达到量子激光雷达的跨越

　【导视】

　　探测中高层大气面临一个非常难的课题，它难在哪呢？卫星下不来。

　　从普通雷达到激光雷达

　　发展出来一套系统，叫量子激光雷达。

　　从激光雷达到量子激光雷达

　　把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。

　　我们每10纳秒就进行了一次完美的探测。

窦贤康：同学们，大家好！欢迎大家来到《大学》。

　　这两束光可能大家看到过一束，因为大家都是武大的学生。看到左下角的那一束激光，绿色激光就从珞珈山的后山射向太空。

　　右下角的那一束激光是在中国科大实验室的边上，同样地也射向太空。

　　这两束光是干什么的呢？这两束光是用来探测中高层大气的。摆在光学平台上的设备就是激光器，这样发出去的激光出去以后，就是大家刚才看到的那两束靓丽的直插云霄的绿光。

什么是中高层大气？

　　中高层大气是什么？我们在地表面看到很多海洋，波涛汹涌。我们也看到对流层大气里有云、雨、风，五彩缤纷，冬天有雪，到热带地区有很多暴雨。在对流层10公里以上，还是有很多的大气，这就是我们经常讲的中高层大气。这个大气不是一个静态的，也有温度、密度和风场的变化，所以它被形象地比喻为神秘的、高空的海洋。

　　人类活动的空间，按照温度区分为几个层，对流层就是10公里以下的空间，这里面主要的现象有云、雨、雪，直接和水相关。所谓的对流层就是它在垂直方向上有剧烈的运动，叫对流。在10公里以上，或者20-50公里，这一层叫平流层，这一区域大气的流动基本上以水平流动为主。在平流层以上50-90公里的地方称之为中间层，这两个区域就构成了所谓的中高层大气的主要区域。这个区域的大气是变化的，跟地表对流层大气的变化一样。中高层大气的顶端，从90公里开始，上面就称之为电离层，90公里以下大气都是中性成份为主；90公里以上出现部分电离，一千多公里到几千公里完全电离，叫磁层。随着能量的不断注入，电离层的带电粒子往下沉降，也会改变中高层大气的状况。这个大气层我们看不见，或者我们不大习惯在这个区域里面生活和发展。但是这个区域大气离我们如此之近，而且这个大气里面的变化也是如此的五彩缤纷。

临近空间在过去为什么研究得少？

【外景】

　窦贤康：现在我们到35公里，信号还是比较强。

工作人员：这个显示的是5到35公里。

窦贤康：5到35公里。

　　现在能不能把它的分辨率搞得更低呢，现在新的口径是80厘米。

　　工作人员：可以，这个我们记录的时候都按7.5米记的。

　　窦贤康：按7.5米记。

　工作人员：累计一下，分辨率可以调。

　　窦贤康：可以调，对。

　工作人员：而且这个临风层也比较清楚。

窦贤康：临近空间为什么在过去研究得比较少？过去这个区域内人类活动比较少。空间物理研究比较奇怪，两头搞得比较清楚，中间不明白。空间物理研究是从对流层开始一直研究到太阳表面。在几百公里、几千公里搞得比较清楚，因为有大量的卫星运行，通过探测可以把这个地区的状况搞清楚。太阳表面可以通过观测设备搞清楚，地面10公里以下有各种各样的雷达可以搞得很清楚，唯一不太清楚的就是从地表面开始20-100公里的区域。因为大气非常稀薄和干净，没有反射物，很难探测，导致这个区域的研究相对滞后于其他领域。

　为什么要加强对中高层大气的研究？

　　中高层大气里既然大气这么稀薄，怎么样去探测这样一个大气海洋，这是摆在空间物理学家面前一个非常难的课题。难在哪？卫星下不来，卫星的轨道高度是不能太低的。在低轨道上，很难维持卫星长期有效的运转，通过卫星的运动，判断大气的状况变得不可能了。因为高度很高，地面的设备，探空气球又很难飞到几十公里以上的高度。正因为这些原因，导致我们在这些区域里面探测存在一些困难。探空火箭非常好，可以把穿越轨道上的大气要素搞清楚，它的优点是时间精确度很高，缺点是它造价很高，打一次探空火箭需要几百万人民币，所以不能反复地打火箭，导致人类对这个区域的探测处于相对空白的状态。

从普通雷达到激光雷达

　　在讲探测大气之前，给大家做一个科普性的介绍。大家知道我们探测所有的东西，进行遥感探测，进行远距离探测常用的是雷达。二战时期，德国和英国作战，德国的空军力量比较强大，但是英国发明了雷达，它发出一个电磁波，碰到一个物体的时候会反射回来，你利用发射波和接收波之间的时间差，乘上光速再除以2，大概知道反射物在什么位置。根据发出的电磁波，它反射回来波的能量的大小不同，大家可以想象一下，一个小球和一个大球，在同样距离上，发一个电磁波，获得的能量是不一样的。通过雷达波返回的时间差和返回能量的高低，可以大体上反映飞机的位置，这样能够准确地知道德机来袭的数量以及它现在飞机所处的位置，这样再去防卫和攻击变得比较有效。

　　雷达基本原理用下来，人类的无线电波，大体上有米波、厘米波、毫米波等各种各样不同波段的波。一个波打到一个物体上，当波长比物体大很多的时候，返回的能量是比较小的。物体本身有比较强的回波，发射出来一个波，大体上和探测物体的尺寸相当。现在探测一个飞机比较容易，因为飞机很大。但是如果我们去探测高空大气，在10公里以上，20、30公里之间，还有一些火山各种因素导致的气溶胶，只要有气溶胶，波打上去回波就很强。

　　再往上，30公里以上，只有纯净的大气，这里边所有颗粒的尺寸多大呢？10的负9次方到10的负10次方米，这个地方只有空气的分子。在低空探测可以探测雨滴和云滴，但是雨滴再小比空气分子的尺寸要大很多，所以可以用厘米波雷达探测它，有雨滴的时候，可以用厘米波，甚至用更长的波段探测，但是在30公里以上，就没有别的更好的办法了。这个时候大家可以想象得出来，这个层面上唯一能做的是用激光探测它，因为激光的波长大致上和分子的尺度相当。

【外景】

工作人员：可以看到它这里面有点重力波的信息，有点波动。

　　窦贤康：对，有点。它有点上下波动。

　　工作人员：要认真分析一下。

　　窦贤康：这次在做实验的时候，跟他们（探空）气球比对了吗？

　　工作人员：比了，非常好。效果很好。

　　窦贤康：效果很好，是吧？

　　工作人员：这回是背靠背的。

　　窦贤康：好的，这样我觉得可能到将来我们再为它研制一些，到这个雷达后边的光学，看看信噪比能不能再提高一点，提高可以把雷达做得更小。

　　窦贤康：激光还有两个非常重要的特性。首先有非常强的方向性。另外，激光有非常好的频率的单色性。如果激光的单色性不好，会有大量的太阳相关波段附近的能量随着激光同时回来。激光雷达的基本原理，发射一个激光，向空间穿越的过程里，会在路径上受到大气的散射。在不同高度的大气，不同时间散射回来的，后面利用简单的接收光路可以把激光穿越大气的状态准确地搞清楚。

　　对于探测中高层大气而言有几种办法：一种是激光雷达，一种是微波雷达，一种是探测火箭。只有激光雷达能够覆盖从近地面到100公里，现在正在做国际上最好的激光雷达。

　　这一部分工作是过去二三十年间，进行激光雷达探测的主要进展。根据回波的能量，可以把大气温度、密度测出来，武汉大学山顶上的光可以打到80-100公里，根据重金属原子的共振、荧光的吸收，可以看出中高层顶的大气状况。

　　中高层大气风场探测难在哪？

　　窦贤康：中高层大气的风场探测难度在哪呢？中高层大气它在运动的过程里面，学过热学大家知道，在我们现在的房间里，在室温的条件下，这里气体分子在杂乱无章地运动，运动的平均速度是500米每秒。放到高空之后，大气里面的分子各个方向的运动都有。有一个宏观的整体运动，就是我们能够感觉到的风，在杂乱无章运动过程里，我们激光打过去，是每一个大气分子散射的总和，这样大家可以看到黄色的一部分。激光打上去之后，即使是完全单色的光，回来之后，由于气体分子在视线方向上，有的远离你去，有的向你扑过来，而且速度很快，比它宏观运动要大得多。

　　这个情况下接收到的激光本身，就是图上的黄色部分，是有几个赫兹的展宽。假设大气不动就会得到一个稳定的谱，但是这个谱是一个理想的谱。由于我们电子器件的原因，要得到的图是抖动的图，边是不光滑的，是带有毛刺的，假设大气不动的话得到这样的谱（理想的谱）。如果大气运动，这个谱就会左移或者右移。如果移动带来每秒10米的风速，移动会非常小。因为谱本身是由于热运动速度导致的，是几百米每秒量级带来的展宽。当风速很小，要将风速测量精度提得很高的时候，黄色的移动部分很小，而且黄色本身又是不光滑。抖动是由于移动导致的，还是由于信号本身晃动导致的，就很难判定。这是大气里面，测风速最难办的问题。

　　【外景】

　　窦贤康：现在白天观测做完以后，我觉得基本上除了正午以外应该都没什么问题了。

　　工作人员：对。一宿基本都是连续下来的，然后到了早上七点钟的时候天就亮了，有点暗了。

　　窦贤康：现在按照这个设计指标的话，如果白天观测部分做完的话，那个信噪比能提高多少呢，就是能把这个噪声的指标压低多少？

　　工作人员：现在我感觉应该能压到跟晚上是一样的。

　　窦贤康：接近一样。

　　窦贤康：我们攻克了这些技术以后，开始研制出成体系的测风激光雷达。这是国际上并行做的测风激光雷达工作的几家单位，左上角的雷达放在法国的普罗旺斯地区，也是我当时在法国留学的实验室。这个设备的意义很大，是人类历史上第一次可以检测到60公里以上大气的风场。中间是美国做的测中高层大气风场设备，右上角的卫星是进行全球大气风场的测量。

　　到目前为止，我们还没有办法去测量全球的风场。如果要进行全球风场的测量，全球要布多少雷达才能测得出来？所以进行全球风场的测量必须用卫星。这是很早一段时间，计划中世界上首台测风激光雷达。放一台到卫星上去，通过卫星轨道的变化，对全球中高层大气，包括平流层、对流层的风场进行全球测量。

　　从激光雷达到量子激光雷达

　　【外景】

　　工作人员：这边是一个新机理的实验。大起来它要复杂得多，我们用到了声波、电光、调制，然后这样我们要比对手又要降五十倍的功率，我们要实现一样的高信噪比的探测。

　　窦贤康：欧洲在上个世纪末，提出了著名的“风神计划”，把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。要进行全球风场的测量，就必须要通过卫星来做，欧洲这个计划成形的时间已经非常长。大概是90年代末提出来的这样一套系统，提出到今天，这个计划已经被推迟发射好几次，它的原因在哪？因为既然从高空往底下来进行探测，就需要比较强的激光，激光能量越来越大的时候，往往会把光路里面的某一个镜片烧坏。在这样的过程里，激光雷达在地面很容易做，烧坏了拧下来换一个就可以重新开始工作了。但是卫星上不行，因为上面没有人，没有办法更换器件。

　　如何在大功率条件下，实现稳定地、长期地观测，就变成是一个难题。这样前提下我们有另一个办法，发展出来一套系统，叫量子激光雷达，这也是我个人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。

　　【外景】

　　学生：校长，您好，我有一个问题，就是量子激光雷达跟传统雷达原理上有什么不同，它有什么比较显著的优点吗？

　　窦贤康：传统激光雷达，要通过提高能量和提高接收望远镜的面积来实现，但量子激光好在哪？我通过单光子的操作，可以降低它的噪声水平和提高它的工作效率。实现过去传统上通过能量提高和望远镜口径提高，来实现性能上的提高。后面我们通过超导的办法，能够把它非常弱小的信号检测出来，我们的提取和检测都基本上做到极致，这就是基本上目前技术条件下，我们能想象出来的激光雷达极限。

　　【提问】

　　学生：您好，刚才您提到量子激光雷达是探测中高层大气的利刃，您认为我们国家大概什么时候能够完成星载激光雷达？

　　窦贤康：量子技术最突出的优点，有比较高的探测效率，这也是将来能够上星非常重要的步骤，现在通过科学院的“鸿鹄计划”，先把它放到球载技术上做。

　　【新闻报道】

　　中国科学院A类战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”（简称“鸿鹄专项”）日前启动。鸿鹄专项将突破一系列关键技术，建成我国首个临近空间科学实验系统。

　　窦贤康：球载做完以后把它安全性、可靠性、稳定性验证完之后，我有一个梦想，这辈子能在科技上干成的最后一件事情，希望能把中国的星载测风激光雷达做出来。