飛到青藏高原7千米高空 浮空器將大氣成分「盡收眼底」
「極目一號」浮空器
近日，由中科院空天信息研究院研製的系留浮空器——「極目一號」浮空器在西藏納木錯地區成功挑戰海拔7003米的高度。這也是世界範圍內已知的同類型同量級浮空器駐空高度的世界紀錄。
執行此次科考任務的是第二次青藏科考水汽傳輸科考分隊。科研人員在納木錯多圈層綜合觀測站開展區域水循環觀測研究，利用「極目一號」浮空器綜合觀測地表至海拔7000米高空的大氣水汽穩定同位素、大氣黑碳和大氣甲烷含量等大氣組分，首次獲得了青藏高原海拔7000米高空的大氣組分變化科學數據。
揭示「亞洲水塔」水的來源
「浮空器上到海拔7000米以上測大氣中的水汽穩定同位素，在世界上是第一次，在青藏高原上更有它的特殊意義。」中科院院士、第二次青藏科考首席科學家姚檀棟介紹，青藏地區是西風和季風相互作用的地區，而納木錯地區又是西風季風相互作用的轉換地區，「對於整個亞洲水塔的水汽來源，西風和季風分別起多大作用，這是個新問題。」
納木錯是青藏高原第二大湖泊，位於藏北羌塘高原東南部，湖面海拔4718米。納木錯流域地處青藏高原腹心地帶，是第二次青藏科考包括長江、怒江、色林錯、納木錯在內的「兩江兩湖」區域重要的觀測地。「江湖源頭的水，從大氣的水，到冰川、凍土、湖泊、地下水的轉換過程，我們要搞清楚。」姚檀棟說，這次通過浮空器現場觀測，發現了從東南方向來的水汽輸送，這超出了過去對印度季風輸送高度的傳統認識。
青藏高原作為世界第三極，是僅次於南極、北極的冰雪儲地。亞洲十多條大江大河發源於此，供養了世界上五分之一的人口。當前，第三極大部分冰川正在退縮，湖泊正在擴張，氣候變化加速改變著這座「亞洲水塔」。「我們必須搞清楚該區域雪、冰、水的變化，監測水循環，以應對各種災害、風險。」姚檀棟說。
監測第三極水循環，除了跟蹤氣溫、溼度、氣壓、降水、風速等傳統氣象要素外，還需要通過測量大氣水汽中氫和氧穩定同位素比率來獲得更多關於水循環的信息。「極目一號」浮空器帶回的相關數據，告訴我們空氣中的水分是如何遠距離輸送，又在大氣邊界層經歷了什麼樣的變化過程，為揭示「亞洲水塔」水的來源提供了關鍵科學數據和新理論基礎，也為全球變暖背景下青藏高原水—生態—人類活動鏈式變化應對策略的提出提供重要科學理論依據。
可進行垂直剖面和駐空觀測
執行此次任務的「極目一號」浮空器是高原體驗版，體積2300立方米，是我國同量級流線型浮空器在青藏高原的首次成功應用，可攜帶科學探測儀器進行垂直剖面和駐空觀測。
高原體驗版的「極目一號」和普通浮空器有什麼區別？中科院空天信息研究院系留浮空器執行隊長張泰華告訴科技日報記者，「極目一號」更適應高原複雜的風況，環境適應性和抗太陽輻照能力更強，平臺的電磁兼容性能作了特殊設計。「作業系統也儘可能半自動化，減少人的體力操作。也研製了無線監視系統，可以實時監視平臺運轉情況和地面氣象情況。」張泰華說。
為更好服務第二次青藏科考，中科院空天信息研究院將自主研發「極目一號」「極目二號」和「極目三號」浮空器。這3款浮空器體積從小到大，駐空高度由低到高，系統複雜和技術難度也逐漸遞增。
張泰華介紹，「極目二號」是科考定製版，將為第二次青藏科考量身打造，設計駐空高度為海拔7000米，將在藏東南魯朗站，藏中部珠峰站、納木錯站，藏西部慕士塔格站等多站點通用。「這些不同區域的海拔、溼度、高空風場、太陽輻照情況相差很大，需要從多方面綜合考量，拿出最優化的方案。」張泰華說，「極目二號」將於2020年底研製完成。
「極目三號」的目標是技術突破，設計駐空高度將超過珠峰高度，到達9000米。張泰華說，9000米高空的空氣非常稀薄，風又大又亂，氣溫最低可達零下三四十攝氏度，對於整個系統來說難度很大。「浮空器體積要在6000立方米以上，電子元器件要適應低溫低氣壓環境，還要防止在乾燥空氣中可能產生的靜電積累。而且，還要抵抗每秒20米的大風，根據空氣動力學特性對艇體要有相應的針對性設計。」張泰華說，「極目三號」的平臺技術難度、駐空高度、攜帶載荷所取得的可能成果，都有望是空前和突破性的。目前正在進行關鍵技術測試和試驗，有望於2021年底研製完成。
同步觀測大氣物理與化學等參數
浮空器升空過程中，多種儀器將同步觀測大氣物理與大氣化學等多種參數。第二次青藏科考水汽傳輸觀測分隊介紹，自2017年11月至2019年4月，科考隊已在藏東南魯朗地區、珠峰地區利用同類大型浮空器開展了5次水汽穩定同位素、大氣黑碳和甲烷濃度等科學參數的垂直剖面觀測。
對於廣袤、高海拔、複雜多變的第三極地區來說，過去沒有條件，靠科研人員的腳步丈量冰川，只能獲取平面二維數據；現在，長得萌萌的浮空器就像在7000米高空上觀測第三極的眼睛，從第三個維度追蹤水循環，監測地面和空中液態水、冰和水汽的變化。
正是通過監測水中的穩定同位素，將水蒸氣流引向第三極的兩種氣候模式被發現——印度季風和盛行西風。印度次大陸在春夏季變暖的時候，大氣對流會將水分從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋吹向北方。這會在喜馬拉雅山脈等地方形成降水。強西風還會將地中海的水分帶到第三極地域的北部和西部。
水汽穩定同位素信息記錄下了冰川表面和大氣每天變熱、變冷的時候，水分是如何從中釋放到空氣裡的。但目前還有很多問題待解。中科院青藏高原研究所研究員高晶說，例如水在固、液、氣三相間轉化對該區域水循環有什麼影響；不同過程在區域水循環中所發揮的作用，還缺乏定量的理解；氣溶膠和冰磧物對冰川的積累和融化有什麼影響等。
水循環必須從三個維度進行追蹤和監測，同時還要監測其變化。浮空器的加盟為回答上述問題提供了可能。