spins的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/spins

博文

这种小众的飞行器,为北极科考提供了独特的新视角

已有 3548 次阅读 2020-11-5 16:05 |个人分类:浮空器|系统分类:海外观察

日期:2020.10.13    来自:Leibniz Institutefor Tropospheric Research   

摘要

随着极星号的返航,最大的北极全时段科学考察顺利收官。一年多的时间里,德国的破冰船带着来自20个国家的400多名人员进行了五次巡航,其目的是研究影响天气变化的关键因素,从而能比以往更加准确地预测天气。

uniqueviewin.jpg

全文

考察接近尾声时,在花了近1400万欧元之后,Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI,赫尔姆霍兹极地和海军中心)的Alfred Wengener Institute(阿尔弗雷德韦格纳研究所)得到了一个令人振奋的结论:尽管有许多始料未及的困难,但人们还是成功地在地球气象系统的前沿领域迈出了坚实的一步。

360截图20201016111701446.jpg

                                 科考船及科考设备部署

按照Leizig大学(莱比锡大学)的说法,科考队所设计的复杂系统也同样取得了成功:由Leibniz Institute for Tropospheric Research(以下简称TROPOS,莱布尼茨对流层研究所)和Leizig大学研发的七个子系统被带回时运行状态良好并且记录下了十分有价值的气候数据。尽管受到极端天气和新冠病毒盛行的影响,两台对于研究极地大气至关重要的设备仍被完好无损的带回:这两台设备组成了一个多波长的激光雷达系统,这个系统用来在整个考察阶段对极星号上空的大气层进行扫描。369天中,6400万束极光射进天空,共收集了112GB的数据。五月份,MOSAiC(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of ArcticClimate,北极气候研究多学科漂移观测台)大气组获得了一个绝佳的机会,用系留气球来探测正在融化的冰川上空的大气情况。在一个极小的时间窗口条件下,科考队的队员共使用了31725米长的线缆使得33个气球成功升空。TROPOS和Leipzig 大学的设计的气球探测设备对于人们理解在冰层融化阶段的极地大气情况尤为重要。最初的探测方案,计划让探测设备搭乘飞行器由Spitbergen(斯匹茨卑尔根岛,Sralbard群岛中最大的岛屿)飞往极地,因为新冠疫情的影响,该计划一直被推迟到秋季。

1-uniqueviewin.jpg


“让人欣慰的是,尽管面对重重困难,我们这个宏大的计划中关键部分都得以实现。在冬季用我们的激光雷达对北极圈平流层的观测绝对是本次计划的一大亮点。在此之前,没人能够在极夜时期,通过MOSAiC观测到这么靠北的地方”TROPOS项目的负责人,Andreas Macke教授说。虽然这次考察的数据仍在分析之中,但有通过分析其他的现有数据,人们早已发现北极的大气层发生了显著的变化。森林大火严重地影响了极地区域,我们看到了比预期更多的烟。甚至曾经属于处女地区域的大气情况也似乎达到了火成纪时期的水平。然而,表征具体原因的数据,需要经过几个月的审查、分析和讨论之后,才能发表。“我们测得了一整年的大气层和地面能量平衡的数据,这将大大有助于我们研究极地变暖现象。”Macke补充说。

成功的喜悦足以使人们忘记科考过程中的挫折和失败。关于这一点,Ronny Engelmann博士感受颇深,Ronny Engelmann是来自TROPOS的科学家和激光领域的专家,他主要负责极星号OCEANET项目中的遥感测量部分,他说:“在北极度过冬天是一件十分有趣的事,尤其是发现这件事放在以前几乎是不可能的时候。作为这次考察的科学家,我很高兴我们的设备即使在极夜-40℃的极端寒冷的环境中,仍然能够顺利的运行一整年,这离不开我的同事们的帮助。在过去十年中,我们的OCEANET设备一直安置在极星号上,多年积累的经验也为这次科考提供了巨大帮助。还要感谢成熟的技术,否则,我们也不会知道北极上空扬尘层的是怎样运动的。”科学家Engelmann回顾道。激光雷达从2019年9月28号一直工作到2020年10月2号,在这期间没有发生任何明显的故障。这离不开Ronny Engelmann博士, Hannes Griesche, Martin Radenz, Julian Hofer 和DietrichAlthausen博士的工作,他们中的一些人在上面花费了四个月的时间。尽管遥测设备是自动运行的,在一些特定的情况中,他们也需要人来进行常规的维护:例如,整个科考期间,用来发射激光的闪光灯更换了五次,微波辐射计的每次校准也都需要更换60L的液氮。OCEANET项目中的辐射计、云层相机、雨量计和光度计共收集了1.5TB的数据,耗费了60000kWh的电量。

虽然安置在极星号甲板上的遥感仪器可以在整个考察期间运行,但要想高效的使用这些仪器却只有一个很小的时间窗口。来自TROPOS和Leipzig大学的气球小组能够在冰上工作37天。多亏了其他小组的帮助,33个巴士大小的气球顺利升空,其中包括BELUGA的系留气球。这些气球可以测量冰层以上1500m高度的气溶胶粒子、辐射和气象参数。这次活动共消耗了474m3的氦气来给气球充气,为了固定存放氦气的容器,人们在融化的冰上挖了一个6m深的洞来放置氦气容器配备的冰锚。“我们在冰上的时间很短,但危险重重,冰面上有很多融化的小湖泊以及来北极熊频繁的到访,多亏了MOSAiC整个组的帮助,在处理困难时我们才能够如此的得心应手。我们队伍花费了很大的力气来解决气球测量装置上的问题,这段时光给我们留下了深刻的印象。”来自TROPOS 的Christian Pilz说。Michael Lonardi来自Leipzig大学,负责辐射测量。Pilz和Michael Lonardi两人一起记录的极地垂直剖面上的数据将为人们观测北极夏季低空大气层提供帮助。例如,该团队测得了海拔300m高度上的气温为14℃,而地面上的温度仅略高于冰点。如果没有这种在极地上空现场的测量,人们不会去评估地面大气层对海上浮冰的影响。

2-uniqueviewin.jpg


最初,刚进入夏天时,人们计划利用系留气球平台来研究冰川上空的近地大气层,利用飞机平台研究高空大气层。然而由于新冠病毒的肆虐,飞机无法飞越Spitsbergen群岛。供给和人员往来需要由来自德国的科考船来安排,飞机的行动因此不得不被推迟到九月份。“基于系留气球的探测因此成为MOSAiC在大气层中测量原位气溶胶的重要手段,气溶胶的测量对于研究北极气候极为重要。”来自TROPOS的Andreas Macke强调说,“作为一名大气研究人员,我很高兴的是,这是人们继2017年以来第二次成功地利用气球进行试验,并且获得了非常有价值的数据。”

2020年9月,德国AWI的两家用于科学研究的飞机Polar 5和Polar 6成为自新冠疫情封锁之后,第一批从Longyearbyen机场起飞的外国飞机。他们执行了几次从Spitsbergen群岛到北极中部的飞行任务,来研究新冠疫情爆发之后,MOSAiC上空的大气情况。:“近年来,北极的变暖现象比地球上任何一个区域都要严重。其中涉及的反馈机制非常复杂,人们至今还没用充分理解这一机制。通过对辐射和粒子的广泛测量,我们希望弄清楚这一点。如果能够提出一种大气模型来预估这里,甚至是北极周围的区域的气候变化,都是极为重要的。”来自Leipzig大学的Manfred Wendisch教授说,他是German Research Foundation(简称GRF,德国研究基金会)合作研究中心的“北极气候变化”实验室的发言人。来自Bremen、Cologne和Leipzig的大学以及在Bremerhaven的AWI和Leipzig的TROPOS组成了一个研究协会。这个协会宗旨是用多种方式观测极地多变的气候,以此来提高大气模型的可靠性,并且做出更加准确的北极变暖的情况。MOSAiC科考队将会对上述方面做出巨大贡献,在未来几个月中,研究协会将会对其成果进行集中评估。

“我对MOSAiC科考项目的进展以及所取得的成功感到十分高兴,通过这次考察,我们可以提供人类迫切需要的气候数据和观测资料,以便在人们对气候保护问题作出根本性和紧迫性政治决定时,提供重要帮助。”Markus Rex教授说,他是MOSAiC项目和此次科考队的领导。“我们已经发现北极地区的冰正在慢慢消亡。在夏天,正在融化的冰层随处可见。我们如果不及时采取强有力的措施来阻止气候变暖,我们将再也看不到北极的浮冰,这将对我们自己的气候产生不可估量的影响。尽管北极在冬天还保留着大面积的冰层,但是其厚度却仅有四十年前的一半。我们今天测量到的北极冬天的温度已经比125年前 Fridtjof Nansen在开创性的北极探险中经历的温度高出近10度。”

2019年9月20日,极星号从挪威Tromsø港出发,前往气候变化的中心--北极中部。到了那里,这艘船让自己留在冰层中,开始了长达一年的漂流,完全听从自然力量的摆布--路线和速度完全由受风和洋流驱动的冰层漂流决定。在5个航段的考察中,共有442名研究人员、船员、青年调查员、教师和新闻界人士参加。来自20个国家的7艘船、数架飞机和80多个机构参与其中。这些研究人员来自37个国家,他们有一个共同的目标:调查气候系统中大气、冰和海洋之间复杂的相互作用,以便更好的应用于气候模型中。他们还在北极中部度过了一整年的探索生活。现在,他们带着对北极变幻无常的气候的记录和无与伦比的数据宝库回国了,现在这一代气候研究人员将集中分析这些数据。

Leipzig大学预言,下一次对北极进行的重大测量活动将在2022年春季,由德国研究飞机HALO和Polar 6执行的 "HALO(AC)"任务。另一方面,系留气球BELUGA已经计划将于2021年夏末返回北极天空 -- 如果当时新冠疫情条件允许的话。

全文来自于TROPOS提供的材料,内容可能被修改和删减。

参考论文:HannesJ. Griesche, Patric Seifert, Albert Ansmann, Holger Baars, Carola BarrientosVelasco, Johannes Bühl, Ronny Engelmann, Martin Radenz, Yin Zhenping, AndreasMacke. Application of the shipborne remote sensing supersite OCEANET forprofiling of Arctic aerosols and clouds during Polarstern cruisePS106. Atmospheric Measurement Techniques, 2020; 13 (10): 5335 DOI: 10.5194/amt-13-5335-2020


微信扫一扫
关注浮空飞行器公众号




https://wap.sciencenet.cn/blog-3057882-1257206.html

上一篇:软银和谷歌联手开发“空中基站”,在平流层提供LTE连接
下一篇:空天院系留气球完成自然基金重大项目集成演示验证飞行试验

1 杨卫东

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-6-18 01:02

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部