撰文：竇賢康 中國科學院院士，空間物理學家，武漢大學校長
2020 年是各國航天活動活躍度高漲的一年。太陽系裡的探測活動熱熱鬧鬧的開展著，我國的太空飛行器也在短短幾個月的時間裡，先後到訪火星和月球，甚至帶回了 「土特產」。地面上的觀測活動也碩果纍纍，「中國天眼 FAST」迎來了服役的第 4 個年頭，迄今發現脈衝星超 240 顆，產出高水平論文 40 餘篇，不少報導都用 「井噴」一次來形容中國天眼的高效率。
在不斷探索深空的同時，還有一批科學家希望能夠填補另一空間研究的空白，即從距離地面 10 公裡至數百公裡高度區間內的大氣空間，也就是通常所說的 「高空大氣」。這一區域有什麼特別之處？為何很長一段時間內都沒能獲得長足的研究成果？
什麼是高空大氣？傳統意義上的大氣科學主要研究對流層頂以下的範圍。對流層高度大概在 10 公裡，但赤道地區有些許例外，由於受到的太陽輻射能量比較大，對流活動上升的高度會比 10 公裡高一點，而極地則由於受到的太陽輻照能量比較小，高度則低一些。這個高度主要是大氣科學研究的範圍，而從 10 公裡一直到太陽表面的區域則主要是空間物理的領地。我自己的工作，大部分集中在 10 公裡到幾百公裡這一範圍，稱之為 「高空大氣」。
通常，我們通過地面上的雷達對高空大氣進行探測。雷達發射電磁波，遇到反射物，電磁波被反彈回來，反彈回來的電磁波含有反射物的信息，比如大氣的密度、汙染物的濃度。如果反射物靜止，反彈回來的電磁波的波長是不變的，而如果反彈回來的波長發生變化，我們從中就可以推演出反射物運動的速度。一般，我們通過返回來的能量和都卜勒頻移，來進行大氣裡一些要素的密度、成分以及速度的探測。
舉個簡單的例子：雨滴大小是毫米和釐米量級，一般可以通過無線電波來探測雨滴的分布、密度、雨強、雨量。但是，10 公裡以上高空的大氣是非常乾淨的，而大氣中分子的大小大概是 10-9、10-10 米量級。這種尺度，用傳統的微波雷達是無法探測的。因為微波雷達是毫米和釐米量級，遇到 10-9 和 10-10 米尺度的物體，電磁波沒有反射。換句話說，我們無法通過反射回來的電磁波來了解這個地區的大氣狀態。這就是過去中高層大氣領域在研究活動中遇到的問題。
為什麼要探測高空大氣？過去我們對高空大氣關心的比較少，如果大家去看空間物理的發展歷程，會發現很有意思的一點：有兩個區域，我們研究的不是太清楚。
太陽表面雖然離我們很遠，但是在地面或者空中，可以利用 X 射線等手段對太陽進行各種成像。對太陽的爆發活動，人類科技已經能夠進行效果比較好的觀測了。現在還有更先進的技術：我們可以在太陽附近放一些探測器，來對太陽活動進行直接觀測，包括磁場，能量流動等方面。
在近地面，包括雨滴、雨量等方面，也是很容易觀測的。但是有兩個區域的觀測是很難的。第一個是太陽表面到地球附近的廣大區域，這容易理解，因為離我們遠，所以很難觀測。
第二個區域就是距離地面幾十公裡到幾百公裡的地方。這個高度為什麼難以觀測呢？高度再高，幾百公裡甚至上千公裡、幾千公裡、上萬公裡，都可以通過 GPS 衛星進行觀測。換句話說，只要是衛星能夠達到的區域，我們就可以進行直接探測。
但是大家或許有所耳聞，衛星的高度不能無限降低，降到 100 公裡高度可以嗎？不行。因為那裡大氣密度足夠大，衛星受到的阻力比較大，而衛星又不能攜帶足夠多的能量，所以受到大氣阻力的影響，衛星會掉下來的。
在幾十到兩三百公裡的高度，探測氣球上不去、衛星下不來，所以這個區域就很難探測，這也是中高層大氣領域研究相對滯後的一個非常重要的原因。
地面附近的風大家能感覺到，非常強烈的風，其速度可達每秒幾十米，這時人已經難以承受了。高空大氣對於地面上的人來講是很難直接感知的，但它確是一個流動的大氣海洋。由於重力影響，高度越高大氣密度就越低，大體上高度每升高 16 公裡，密度就會降低 1 個量級。而密度越小，對於同樣大小的一個驅動，所造成的流動性就越大。高空的風速可達 300-600 公裡 / 小時。所以說，高空是流動的大氣海洋。
那為什麼現在這個區域的研究變得這麼重要？這個區域氣球上不去、衛星下不來，如果人類不在這個區域活動，那麼對其不了解也就沒有什麼影響。但近些年開始情況有些不一樣了，現在這個區域有各種各樣的臨近空間飛行器，而且如果飛機以後要增速，也必須進入更高的空間。
除了較大的大氣阻力，在這個區域，還有很多部分電離的成分，有很多帶電粒子。電磁波穿過此區域，會發生各種各樣的擾動，這將影響我們的通訊和導航精度，危及臨近空間的安全。隨著人類空間活動的不斷拓展，開始利用這樣一個 「不高不低」區域以後，將這個區域內的大氣研究清楚就越來越有必要，也越來越緊迫。
如何探測高空大氣？最近，隨著雷射雷達系統的發展，我們終於可以對中高層大氣進行探測。過去用微波進行觀測，其波長為 10-2 米，這對分子尺度 10-8—10-10 米的高空大氣是無能為力的。
雷射雷達被認為是目前探測高空大氣最有力的手段。雷達發射雷射後，雷射遇到中性成分會被散射回來，散射回來的能量數據中含有大氣密度的信息，而散射回來的頻率變化，是大氣運動速度的一個表徵。
最具挑戰的雷射雷達探測
——風場探測雷射雷達
探測能量是比較容易做到的，發射一束雷射，返回來的能量有多少，是比較容易測量的。但是我們難以想像，現在世界技術發展這麼快，但天氣仍然是很難精確預報的，我們缺少動力學參數，不清楚大氣在往哪跑、怎麼跑。過去只能在地面做零星的觀測，截至目前，國際上還沒有一個全球範圍大氣風場的測量技術。歐洲和美國在推進星載，通過衛星星載測大氣的風場。
大氣有雲有雨的時候好測，通過微波雷達就可以測，而晴空時，即便對流層大氣密度很高，微波的回波能量也很小，所以必須通過雷射雷達來測。但是雷射雷達也有一定的問題。
氣體分子有熱運動，所以打出一束光時，返回來的光會有頻率展寬，這個展寬大概是幾 G 赫茲。如果大氣再一動，有什麼效應呢？整個展寬會平移。比如，氣體分子在移動的時候，整個頻率會頻移，向高頻方向運動，兩個峰之間錯了位，中間峰的變化量就是風場導致的。但是任何一種探測方式下，這兩個峰都不是完全理想的形狀，它在不斷的抖動，所以就無法知道峰偏移了多少。進行直接的風場探測是比較難的。
有一種解決方法是不直接測峰，通過標準距的方式，在另外兩個頻率上用標準距鎖定，一旦有風場變化，通過另外兩個標準距的能量就可以知道發生變化了。假設中間沒有風場，兩個標準距提供的能量是一樣的，而如果發生偏移，透過的能量就有差別了。利用能量的差別來測量風場的變化，這就是所謂的 「雙邊緣技術檢測微小雷射頻率移動」。
利用這個辦法，可以測出全球的風場。圖上這套設備是我們在 「863 計劃」支持下完成的——自主的高空風場車載測風雷射雷達，可以測量 60 公裡高度的大氣風場。
大氣探測的 「量子」技術
我的研究團隊和潘建偉、張強等量子方面專家團隊的合作得益於中國科大的特色交叉學科研究與建設項目。因為傳統的雷射雷達有一個無法解決的難題——白天如何觀測。白天太陽光太強，會極大降低雷射雷達的信噪比。
所以為了提高信噪比，之前採用過一種做法是把雷射器能量做得越來越高，把望遠鏡口徑做得越來越大，這樣就能接收到更多的能量。但是這無疑是非常昂貴的，一米口徑望遠鏡和兩米口徑望遠鏡的價格就有巨大的價格差了所以一味地去提高望遠鏡面積和雷射器能量，會有很大局限。這不僅是錢的問題，還會在效果上非常有局限性。對於星載測風雷達來說，在衛星上是不能放很大口徑的望遠鏡的，也不能使用很高能量的雷射，雷射能量會把光路打壞的。
所以和張強等人合作後，我們另闢蹊徑，提出利用量子探測的雷射雷達新思路。舉個簡單的例子，在大氣探測裡，一般最好是用紅外光。因為太陽光裡紅外能量部分比較少，使用紅外光，太陽光產生的噪聲比較小。但因為目前紅外探測器性能比較差，導致紅外返回來很難探測。我們就利用單光子頻率轉換技術，把紅外光轉換成 863 納米的光，在轉換的過程中同時用單光子操作，就可以把光頻附近的太陽光壓掉，這樣整個信噪比都可以提高。最後在同樣的望遠鏡大小和同樣的雷射器的面積下，新技術將探測距離增加了 3 倍。
向更高的高度拓展
雷射雷達可以探測 70 公裡、80 公裡、90 公裡，但這還遠遠不夠。目前國際上還沒能做出來能在幾百公裡高度上工作的雷射雷達。但是這又很關鍵，因為太陽風和地球空間相互作用以後，會影響到中高層大氣，這是作為研究人員們之後需要搞清楚的。
我們國家現在有一個計劃 「國家大科學工程」，其中之一就是子午工程。我本人是子午工程二期的首席科學家，我們要做的就是在地面上建立各種各樣的設備，雷射雷達、無線電探測設備等等。這其中，有兩個亮點工作是值得提出來的。
第一個就是在三亞建一個非相干散射雷達，探測幾百公裡高度大氣裡的電子和離子濃度，尤其是電子濃度。帶電粒子在中心氣體裡運動，會改變中心氣體的狀態，所以這是非常重要的工作。
第二，我們正在做全球第一臺陣列式大口徑氦雷射雷達。這是我們子午工程裡最核心的設備之一，也是子午工程裡我個人覺得最有原創性的工作，大部分設備都是我們完全自主可控的設備。
如果我們能夠做出來，我們國家將是國際上首個能探測到一千公裡高度的中性氦原子的國家，這將填補科學在 200 公裡以上熱層中性大氣認知上的空白。這項工作離不開科研人員們的默默研究，更需要更多學科領域學者們的關注，群策群力，共同攻堅。
註：本文內容根據竇賢康院士於墨子沙龍現場演講編譯整理而來。