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空间技术“入地” 地球科学“上天”

2018-11-20 09:27来源:人民日报

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  全球水循环空间立体观测示意图

  遥感科学国家重点实验室供图

  神秘辽阔的青藏高原一直是科研人员们热衷的科考圣地。然而,其复杂高寒的地理及气候环境,也常常令科考之路充满艰险。是否有一天,科研人员们不需要手脚并用地在青藏高原上攀爬,甚至不用去那里就能完成科考工作?

  “这并非不切实际的幻想,空间地球科学家们正努力让这一梦想变为现实。”中国科学院空天信息研究院研究员、遥感科学国家重点实验室主任施建成说。

  日前,第一届空间地球科学学术研讨会在海南省三亚市召开,近400位来自全国各地的空间科技和地球科学领域的学者专家参会,共同商讨中国空间地球科学发展大计。在会议上,中国空间科学学会下属二级学会空间地球科学专业委员会也对外公开宣布正式成立。

  利用空间观测手段,研究地球系统如何发展演化

  空间地球科学是利用空间观测手段,研究地球系统各子系统间相互作用与过程以及如何发展演化的一门综合交叉学科。空间对地观测技术和地球系统的发展演化是空间地球科学方向的核心研究内容。

  中科院院士徐冠华说:“空间地球科学开拓人类深刻研究地球的新途径和新视野,是对传统研究方法的革命性变革。它使地球科学的研究从局部拓展到全球和整体;从静态扩大到动态;从陆地、海洋、对流层延伸到平流层以上的空间,不断扩展着人类的知识领域。”

  如今,人们已经认识到,地球系统是一个复杂的、不断变化的系统。随着地球科学研究的深入,越来越需要空间科学和技术的广泛参与。

  徐冠华指出:“针对地球系统科学研究中基本的前沿科学问题,包括地球系统如何变化、地球系统变化的主要原因是什么、对全球变化的适应过程和社会可持续发展、未来地球系统如何变化等,空间地球科学能够利用其空间观测范围广、要素全、时效长等特点,为地球系统科学研究提供了新思路、新手段。”

  1995年,科学家就曾利用星载紫外探测器在地球极区大气层发现臭氧洞,从大气化学角度阐明了氯氟烃对臭氧层形成、分解的作用及机理。在我国,近年来空间科学也在科学研究中发挥着越来越重要的作用。例如,随着中科院空间科学战略性先导科技专项的开展,科研人员们借助“悟空”“墨子号”等一系列科学卫星,在暗物质、量子通信等科学研究领域接连取得重大突破。

  突破传统研究手段的局限,能更深入更定量化认识地球

  当前一些前沿科学问题,很多都是大尺度上的科学问题,传统研究手段有很大的局限性。而空间地球科学凭借其优势,为更宏观、更精细、更深入、更定量化研究和认识地球,突破以往难以解决的地球科学重要基础科学问题,提供了新的可能。

  对此,施建成进一步举例:“特别是面对全球环境变化这样的基础前沿性、全局性的重大科学问题,空间地球科学能够通过对全球大气中二氧化碳浓度及分布的测量和大范围、长时间、多参数的探测和研究,开展大规模地球系统数值模拟,进行地球变化过程的定量化研究,将最终为弄清楚全球变化这一影响人类生存发展的重大问题做出显著贡献。”

  空间地球科学新技术、新方法和空间探测技术的发展,为地球科学各分支学科的研究提供了不可缺失的大范围基础信息,也有许多新发现。如通过海洋拓扑高度精细测量反演出全球洋流,并加深了对海洋动力学的认识等。

  “空间地球科学研究还推动了一大批新型空间观测仪器的技术进步。”施建成说:“其中包括精细光谱成像测量重力和磁场的主动式传感器,高灵敏热红外遥感、激光雷达测量、热辐射定量测量等。相关探测机理、技术和方法的直接应用或转移,对资源、环境、大气、海洋、生态、农林业、灾害监测等空间应用也发挥了重大作用。”

  此外,空间地球科学通过不断深化科学需求对工程技术提出新要求,推动了航天技术、工程技术领域包括光学、精密机械、电子信息、材料科学、加工工艺学等学科发展和高技术进步。与此同时,空间地球科学又反过来从上述学科的发展中获益。

  研究发展势头良好,但我国仍主要是空间知识的使用国而非产出国

  经过50年的发展,我国空间技术、空间地球科学研究,在学科领域设置、科研队伍培养、基础设施建设等方面都取得了长足进展,目前学科领域齐全、人才队伍初具规模、科研成果不断涌现,形成了良好的发展势头。然而,与国际先进水平相比,我国仍有很大的差距。“例如在空间的探测和认知方面能力还比较弱,缺少具有前沿性、探索性和原始创新性的重大科学发现和成果,中国仍然主要是空间知识的使用国,而非产出国。”中科院院士、空间地球科学专委会主任郭华东说。

  为弥补这些不足,我国的空间地球科学家们也正在为做出原始创新的重大科学发现和成果而努力。

  在此次会议上,郭华东就提出了一个新颖大胆的研究构想。郭华东指出,北极、南极和青藏高原是全球变化的“敏感区”和“指示器”,国际学界多年来一直给予高度关注,但全球范围内现有的项目中,大多只关注单一极区,还没有能够把“三极”作为一个整体进行系统性的研究。因此,他提出:“可以大胆构想在月球这一稳定的自然卫星上,构建月基对地观测系统,利用其快速和大区域覆盖能力,对三极地区开展同步研究。”

  郭华东团队已有的研究结果表明,利用光学传感器从月球观测地球,可以观测整个青藏高原地区,也可以实现对北极和南极地区的全覆盖观测,模拟效果影像和观测时间窗口均可预知,有潜力一举实现对“三极”的全覆盖同步观测。

  “这些年来,我们的科学研究填补了很多国内空白,但真正为人类作出贡献的并不多。如果由我们中国发起并率先建设月基对地观测平台,让全球科学家去那里做实验,其历史意义将是非凡的。”郭华东说,“中国科技界已经到了反哺国际社会的时候了。”

  如何更有力地推动我国空间地球科学的进一步发展,从而使中国有能力为人类的空间探索、技术进步及社会发展作出持续性的贡献?

  施建成认为,除了科学家自身的努力,也需要政府相关部门着眼于我国长远的战略需求,实施我国自主的空间科学计划并对其进行持续稳定的支持。

  徐冠华希望,通过空间科学和地球科学的更深度融合,更好地推动空间科学和空间技术“入地”,更关注地球科学的相关问题;也推动地球系统科学研究“上天”,通过空间信息获取平台更好地研究地学问题。(吴月辉)

[责编:毕孝斌]

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