高空大气与量子雷达 | 窦贤康院士——科学讲坛
The following article is from 墨子沙龙 Author 窦贤康
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
作者 | 窦贤康（中国科学院院士、武汉大学校长）
节选自在墨子沙龙活动“探索与征服：从地球到深空”上的演讲
什么是高空大气？
传统意义上的大气科学主要研究对流层顶以下的范围。对流层高度大概在10公里，赤道地区，由于受到的太阳辐射能量比较大，对流活动上升的高度会比 10公里高一点，而极地，由于受到的太阳辐照能量比较小，高度则低一些。这个高度主要是大气科学研究的范围，而从10公里一直到太阳表面的区域则主要是空间物理的领地。我自己的工作，大部分集中在10公里到几百公里这一范围，称之为“高空大气”。
通常，我们通过地面上的雷达对高空大气进行探测。雷达发射电磁波，遇到反射物，电磁波被反弹回来，反弹回来的电磁波含有反射物的信息，比如大气的密度、污染物的浓度。如果反射物静止，反弹回来的电磁波的波长是不变的，而如果反弹回来的波长发生变化，我们从中就可以推演出反射物运动的速度。一般，我们通过返回来的能量和多普勒频移，来进行大气里一些要素的密度、成分以及速度的探测。
举个简单例子，雨滴大小是毫米和厘米量级，你可以用无线电波来探测雨滴的分布、密度、雨强、雨量。但是，10公里以上高空的大气是非常干净的，而大气中分子的大小大概是 10-9、10-10米量级。这种尺度，用传统的微波雷达是无法探测的。因为微波雷达是毫米和厘米量级，遇到10-9和10-10米尺度的物体，电磁波没有反射。换句话说，我们无法通过反射回来的电磁波来了解这个地区的大气状态。这就是过去中高层大气领域遇到的问题。
为什么要探测高空大气？
过去我们对高空大气关心的比较少，大家如果去看空间物理，会发现很有意思的一点：有两个区域，我们研究的不是太清楚。
太阳表面虽然离我们很远，但是在地面或者空中，可以利用X射线等手段对太阳进行各种成像。对太阳的爆发活动，我们能进行比较好的观测。现在还有更先进的技术，我们可以在太阳附近放一些探测器，来对太阳活动进行直接观测，包括磁场，能量流动等。在近地面，刚才讲的雨滴、雨量，我们也很容易观测。但是有两个区域的观测是很难的。第一个是太阳表面到地球附近的广大区域，这容易理解，因为离我们远，所以很难观测。第二个区域是距离地面几十公里到几百公里的地方。这个高度为什么难以观测呢？高度再高话，几百公里甚至上千公里、几千公里、上万公里，这时我们有GPS卫星。只要卫星能够达到的区域，我们就可以进行直接探测。但是大家知道，卫星的高度不能无限降低，降到100公里高度可以吗？不行，因为那里大气密度足够大，卫星受到的阻力比较大，而卫星又不能携带足够多的能量，所以经过大气的阻力，它就会掉下来。
在几十到两三百公里的高度，探测气球上不去、卫星下不来，所以这个区域就很难探测，这也是中高层大气领域研究相对滞后的一个非常重要的原因。
地面附近的风大家能感觉到，非常强烈的风，其速度可达每秒几十米，这时人已经难以承受了。高空大气你看不到，但它也是一个流动的大气海洋。由于重力影响，高度越高大气密度就越低，大体上每升高16公里，密度降低1个量级。而密度越小，对于同样大小的一个驱动，所造成的流动性就越大。高空的风速可达300-600公里/小时。可见，高空是流动的大气海洋。
如今，这个区域的研究为什么变得重要？前面说过，这个区域气球上不去、卫星下不来，既然人类不在这个区域活动，对其不了解也就无伤大雅了。但现在开始不一样了，现在这个区域有各种各样的临近空间飞行器，而飞机速度以后如果要增长，也必须进入更高的空间。
在这个区域，有很多部分电离的成分，有很多带电粒子，电磁波穿过此区域，会发生各种各样的扰动，这将影响我们的通讯和导航精度，危及临近空间的安全。随着人类空间活动的不断拓展，我们开始利用这样一个“不高不低”区域以后，我们也必须要把这个地区的大气研究清楚。
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。
激光雷达现在被认为是探测高空大气最有利的手段。发射激光，激光遇到中性成分以后，被散射回来，散射回来的能量多少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，所以你必须通过激光雷达。但是激光雷达也有一定的问题。
气体分子有热运动，所以我打出一束光，返回来的光有频率展宽，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，气体分子向你来的时候，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。但是任何一个探测，这两个峰都不是完全理想的形状，它在不断的抖动，所以你无法知道峰偏移了多少。进行直接的风场探测是比较难的。
一种解决方法是通过标准距，我不直接测峰，而是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，就可以测量风场的变化，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，我们测出来全球的风场。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
和潘建伟、张强的合作得益于科大跨学科的好处。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。
为了提高信噪比，之前的做法是把激光器能量做的越来越高，把望远镜口径做的越来越大，这样就能接收到更多的能量。但是这些都是有巨大代价的，一米口径望远镜和两米口径望远镜的价格相差巨大，一味的去提高望远镜面积和激光器能量，有很大局限。还不仅是钱的问题，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。
和张强等人合作，我们另辟蹊径，提出利用量子探测的激光雷达新思路。我举个简单例子，在大气探测里，我们最好是用红外光，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。但红外返回来很难探测，因为目前红外探测器性能比较差。我们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，这样整个信噪比就可以提高。同样的望远镜大小和同样的激光器的面积，我们的技术将探测距离增加了3倍。
向更高的高度拓展
我们的激光雷达可以探测70公里、80公里、90公里，但是还不够。在几百公里高度上，目前国际上还做不出来激光雷达，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，这是我们需要搞清楚的。
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，我们将要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，但是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。
第二个是，我们正在做阵列式大口径氦激光雷达，这是国际上第一台。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。国际上没有，如果我们做出来，我们将在国际上首次探测到一千公里高度的中性氦原子，将填补科学在200公里以上热层中性大气认知上的空白。
谢谢大家！
本文经授权转载自《墨子沙龙》微信公众号
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