【石头专访】乐加教授：我在阿雷西博调试激光雷达 | 石头科普
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乐加博士，上海交通大学电气工程专业本科，阿拉斯加大学Fairbanks分校硕士，科罗拉多州立大学博士，NCAR/HAO ASP项目博士后，博士师从国际著名激光雷达专家佘交尧教授。现NASA Goddard 太空飞行中心、美国天主教大学研究型科学家。乐加博士曾从事Na、K、Mie、Rayleigh激光雷达的研制，参与NASA TIMED、AIM卫星项目，运用地基与空基多种观测设备以及TIME-GCM、WACCM等大气模式展开对于MLT大尺度动力学、长期变化趋势、MIT coupling以及日地响应等方面的研究工作。现阶段主要于NASA 空间天气模式中心负责热层电离层模式相关研究。
我在阿雷西博调试激光雷达
我去过两次Arecibo观测站，第一次是11年9月，去那儿访问，做了一个报告。真正我去那里工作是2012年4月份到7月份，之后便到Hampton大学工作了。估计我是咱们地学领域唯二长时间在阿雷西博观测站工作过的中国人之一吧。
我们工作日的中午一般会在阿雷西博观测站的小厨房就餐，观测站地处波多黎各，那儿有很多爬行生物，特别是蜥蜴，餐桌下吃剩的鸡骨头会有很多大蜥蜴来抢，像讨食的猫猫狗狗一样。与美国本土不同，波多黎各当地人家的鸡呀狗呀都散养在山外面，很有乡野气息。当地还有一种El Coquí青蛙是热带雨林气候特有的，一到晚上做实验的时候，漫山遍野都是清脆的Co-Qui Co-Qui的叫声。我们当时还有两个从中国天文台（Fast）到Arecibo访问的两个小伙子，我们常常一起做做菜、包包饺子，一起游泳锻炼，仿佛回到了留学生时候的生活。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=b32337oc3oa「叩魁叩魁」， 不是「孤寡孤寡」噢
来源：https://www.youtube.com/watch?v=hiLxQXA38nA
坦诚来讲，阿雷西博观测站工作人员的效率不算高。举个小例子，我的工作证到工作结束也没有办下来。这也许与今朝有酒今朝醉的当地文化有关，记得当时有位厨师问我：你们中国人满心都是工作，人生哪有什么乐趣？我反问他，您觉得人生意义是什么呢？厨师不假思索答道，当然是享乐。
当地人酷爱跳舞，普遍信奉及时行乐
图源：B站鬼畜区
阿雷西博观测站不仅有著名的大锅，还配备有可联合观测的铁/钾、钙离子、宽带钠激光雷达以及瑞利激光雷达等仪器，我的工作主要是把固态激光器放到Fe/K激光雷达上。理想情况下一般是白天做实验调光路，晚上采数据。然而当地的气候条件比较独特，属于热带雨林气候，雨说来就来。而且因为波多黎各本身就是一个热带的岛屿，天气预报基本上没什么用，我们调试光学仪器又对于降雨比较敏感，所以要特别小心，时不时就得抬头看看天气情况。一来云太厚激光也打不上去(80-105km)，二来万一下雨淋到望远镜就麻烦了。
半夜飘来的雨区总会让波多黎各岛屿上爆肝的守夜人们心头一紧
这项工作还有一个难点就是当地的环境湿度特别大，大到什么程度呢，我当时带了一些书过去，没过几天书就潮到变了形，到最后甚至像泡了水一样毁掉了。
潮湿对于我们进行光学实验是一个非常大的干扰。由于环境极其潮湿，光学仪器的镜面上会凝结一些水雾甚至水滴。我们实验用的激光雷达的功率非常大，本来搭建光路的镜片有很高的反射率，但水雾会导致镜面有吸收，一旦激光的光束打在雾蒙蒙的镜面上，就会加热以至打坏镜子。相比我读博士时候所在的科罗拉多州干燥的高原环境，波多黎各的热带雨林气候相对来讲挑战性很大。
Nd:YAG激光光源泵浦的染料激光器在波长532nm(绿光)时可稳定输出15W功率，做实验时能轻易把纸打穿
为何大锅建成六个月后，发现实际回波信号与理论不符？
Arecibo观测站是个非常不同的地方，它地处深山里，有封闭的大门。因为射电望远镜要求很低的无线电噪音，手机和其他无线设备都是不能用的，要与外界联系只能够打有线电话。我是住在站里的招待所，要是出去买点生活用品，只有靠着与山下定期往返的大巴下山。站里的常驻人员多数是工程师，去定期检修、更换承重缆绳，维护这口巨大的大锅。
与FAST（我国贵州）目前只能够被动接收天文信号不同，阿雷西博的这口大锅一开始是服务于地球电离层观测研究的，作为世界上为数不多的一台非相干散射雷达（ISR），它不仅有望远镜这一口大锅，也配备着高功率的无线电发射器。雷达工作的时候发射电磁波，再通过地基天线（大锅或者天线阵列）回收电离层中电子非相干散射的回波信号。
非相干散射雷达（ISR）世界分布图
ISR可谓是最强大的电离层探测手段，十分期待我国三亚ISR项目建成之时
Arecibo ISR采用类似光学的单站式结构设计，大锅上面有无线电发射器，先传到镜子，再由镜子反射进入大气层；接收是由镜面聚焦到上部的接收器。而阿拉斯加的PFISR、秘鲁的Jicamarca ISR和日本、欧洲的其他雷达都是阵列结构。说来有趣的是，相比较其他非相干散射雷达，Arecibo ISR一千英尺口径的大锅可以说是大得独树一帜。同样是相似的类光学设计结构，大家比较熟悉的位于波士顿的Millstone hill ISR，其望远镜口径就要小得多。ISR这项技术是由康奈尔大学的威廉·戈登教授在20世纪50年代末首创的，戈登教授也是推动阿雷西博雷达项目落地的核心人物。
阿雷西博雷达作为世界上首台非相干散射雷达，在建成开工六个月后，科学家们发现收到的信号居然跟理论计算的不太一样，这样的信号强度用小得多的望远镜就能探测到。可是理论计算是在哪里出了问题呢？这是由于早期的非相干散射理论中，非相干散射谱宽度的估算是建立在电离层中的电子自由运动这一假设之上的，而实际上电子作为电离层等离子体波动的一部分，在集体分布上通常围绕正离子附近，因此估算散射谱宽度的分布函数实际上被又慢又重的正离子所控制，散射谱宽度要比估计的窄接近100倍，探测这样的信号远远用不着口径一千英尺这么大的望远镜。从另一个角度讲，这一实践实实在在地推动了非相干散射理论的发展。
纳税人：退钱！（误）
虽然运营维护比较麻烦，但这口大锅建成后，由于口径很大，接收到的电磁信号十分丰富，反而引起了天文学、行星学领域，以及搜寻地外文明计划（SETI）广泛的兴趣。这既为阿雷西博带来了额外的运营经费，也出了很多举世闻名的研究成果。而且由于望远镜特别大，采集到的数据信噪比特别高，这台雷达对于我们学科的很多现象的观测，比如突发E层事件，也都表现得十分出色。
在20世纪50年代末，斥巨资建造一个一千英尺口径的非相干散射雷达，并且把地址选在波多黎各岛屿，其动机不仅仅只有探测电离层这一科学目标。阿雷西博的雷达项目一度被一个新成立的联邦机构接管，该机构（DARPA，已于2018年关闭）专门研究冷战期间的国家防御课题，寄希望于用阿雷西博雷达在电离层提前探测到来袭导弹的信号，来应对古巴导弹危机。
老大哥们掰手腕，热核战争曾一触即发
后来多年和平年代，国家防御性支持的基金逐渐撤离，阿雷西博观测站的使命变成了科学导向，其基金支持主要来自美国国家科学基金会（NSF）三个不同的部门：大气与空间科学、行星科学、天文学，还曾受NASA委托预测小行星撞地球事件。然而加勒比地区频繁发生地震、飓风等自然灾害，造成了近几次对仪器很大的破坏，在高昂的维修费用面前，科学经费实在有些力不从心。随着后来天文经费的撤出，ISR的日常维修与维护全凭空间领域的基金支持，负担非常大。后来又陆续发生一些人事上的纠纷，阿雷西博的运营和管理逐渐捉襟见肘。
还有什么比囊中羞涩更令人悲伤的事呢
作为美属自由邦，波多黎各能讲英语的当地人是极少数，主要语言其实是西班牙语，所以南美和当地的科学家居多。对于像我们这样的华人而言，虽然当地颇为有趣，但生活里就较为不便。他们没有路灯，夜间开车时遇到地上的大坑很容易造成车辆故障。入室偷盗、砸车窗也较为常见，我临走前去一位同事家吃饭，他家煮水的水壶就被偷走了，我们只好用铁锅烧开水煮茶。对比Millstone ISR观测站，波士顿多所一流的大学及其优质的生活条件吸引了一大批科学生产力；而波多黎各当地政府常年处于破产状态，治安略差一些，所以对科学家的吸引力相对不太有竞争性。虽然NSF给阿雷西博台站的定位更倾向于采集数据以提供给社区使用，但若是能够吸引且留住更多一流的科学家，想来它的科学产出还会更丰富一些。
阿雷西博的坍塌早有预兆，2020年8月和10月份两根辅助钢缆相继脱落后，工程师们预判老化的承重缆已不能在保证安全的前提下得到修复。它曾辉煌一时，如今却要以坍塌的形式落幕，令人痛心之余，也多了些思考。现在台站正在科学社区内呼吁构思白皮书，以求搭建新一代阵列式望远镜，你会对它的复生抱有信心吗？
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=k323350faak2020年12月2日，阿雷西博大锅倒下的一刻。来源：NSF
Ref
[1] Incoherent Scatter Radar: Theory and Application, by Dr. Matt Zettergren, EP 509 lecture note, Fall semester 2019, Embry-Riddle Aeronautical Univ.
[2] Genesis of the 1000-foot Arecibo dish, Cohen, M. H., Journal of Astronomical History and Heritage (ISSN 1440-2807), Vol. 12, No. 2, p. 141 - 152 (2009)
[3] The Future of The Arecibo Observatory: The Next Generation Arecibo Telescope, White Paper, ver 2.0, 02-01-2021
■ 受访人：乐加教授
■ 采访/供稿：zunzun
■ 美编：刘俞伶
文章来源“石头科普”公众号
石头科普工作室成立于2016年11月，由时任中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长汪毓明教授牵头成立。工作室是一个具有公益性质的团队，主要致力于地球和空间科学的科普工作，旨在为广大群众提供地球和空间科学基本知识。
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