海洋衛星洞悉大海秘密

海洋衛星洞悉大海秘密

美國Seasat海洋衛星

李會超

新聞背景

近一段時間,關於海洋衛星的消息比較多:10月29日,中法合作研制的首顆衛星——中法海洋衛星在酒泉衛星發射中心發射成功;10月25日,大陸「海洋二號B」衛星在太原衛星發射中心發射成功;9月8日,大陸「海洋一號C」衛星在太原衛星發射中心成功發射。有消息稱,到2020年,大陸將研制和發射3大類系列海洋衛星共十餘顆。

那麼,海洋衛星究竟是怎樣的衛星?

與太陽共舞,從太空看海洋

在海洋衛星出現前,人們對海洋研究的數據多來自輪船或浮標的測量。然而,輪船出海一次能夠覆蓋的空間範圍有限,同時也難以在時間上連續監測某一地區的數據變化。而浮標雖然能給出時間上連續的觀測數據,但一般難以高密度布置,無法對海洋中各類現象在空間上的變化給出足夠精細的解析。

隨著太空技術的發展,人們開始利用遙感衛星從太空中觀察我們的地球,海洋探測也因此迎來了新的機遇。在衛星探海的早期,人們大都利用綜合性的氣象衛星和資源衛星上搭載的儀器獲取海洋的信息。但由於海洋現象和變化的特殊性,需要專門進行海洋探測的衛星才能滿足人們了解海洋的需求。

1975年,世界上第一顆海洋衛星Seasat在美國發射升空。這顆衛星由NASA所屬的噴氣動力實驗室研制,主要任務是驗證使用專門的海洋衛星進行海洋探測的可行性,並探索未來真正投入業務運行的海洋衛星的設計需求。在軌道上工作了106天之後,這顆衛星不幸遭遇了一次內部電路的大規模短路事故,無法繼續執行任務。雖然在軌時間不長,數據的分辨率也無法與之後的衛星相比,但它上面安裝的儀器幾乎涵蓋了現今海洋衛星使用儀器的全部種類,為之後的海洋衛星發展奠定了基礎。

為了給全球的海洋進行掃描,海洋衛星大都工作在太陽同步軌道上,每天在相同的時間經過世界各地,在大致相同的太陽對地光照條件下觀測地面。假如大陸的某顆海洋衛星第一次經過南海某島嶼上空時,太陽高掛於正南方,那麼這顆衛星下次光臨該島嶼時,太陽也應該處於大致相同的位置。和定點於赤道上空、更加為人所知的地球同步軌道不同的是,太陽同步軌道的傾角一般比較高,衛星在工作過程中要經過南北兩極上空。為了更清晰地觀察地球表面的情況,海洋衛星的軌道高度一般只有數百公里,比地球同步軌道三萬六千公里的高度要低不少。

自上世紀70年代開始,各國開始研制發射專門用於海洋遙感探測的海洋衛星,迄今已有數十顆海洋衛星上天,賦予了我們了解這片蔚藍世界的「千里眼」。

海洋水色衛星:揭開海水中的成分秘密

大陸的海洋衛星起步於21世紀,目前已經形成了「海洋一號」和「海洋二號」兩個衛星家族。其中,「海洋一號」衛星屬於海洋水色衛星。

在我們的生活經驗中,清澈的水如果摻入了其他物質就會變色,而海洋水色衛星所探測的也正是海水中所包含的葉綠素濃度、懸浮顆粒物和有機物濃度等特徵。

海洋水色衛星洞悉海洋秘密的「武器」是光譜掃描成像儀。照射地球的陽光實際上是由許多不同波段的光線共同構成的。當陽光照射到海洋上並被海洋水體反射後,水體內所包含的物質會引起特定波段光線的光譜特徵變化,發生變化的波段可以在實驗室中預先確定。掃描成像儀可以從反射的光線中提取出需要關注的波段的光譜特徵。之後,通過計算分析就可以得到海水中包含的物質特徵。為了完成觀測任務,海洋水色衛星所使用的光譜掃描成像儀必須具備高信噪比、精準的光譜響應標定和準確的輻射定標精度等特性。也就是說,這種儀器不但要能夠十分清晰地看到海洋反射的光線,還要對自己本身的「體質」也有清楚的認識。同時,在通過光譜數據推斷所要探測的物質特徵時,需要考慮光線在傳播路線上所受到的大氣層影響,設計合理的計算方法。

世界上第一顆海洋水色衛星是美國於1997年8月1日發射的「海星」(Seastar),後來,這顆衛星又被重新命名為「軌道觀測-2號」衛星。這顆衛星上只裝備了一台名為海洋觀測寬視場遙感器的載荷,擁有8個觀測頻段,空間分辨率為1.13公里。這顆衛星的主要科學目標是探究海洋浮遊生物的分布和活動,分析海洋在全球碳循環和其他生物化學循環中的作用,並促進海水水色數據處理技術的發展。在「海星」之後,美國還發射了名為「土」(Terra)和「水」(Aqua)的兩顆海洋水色衛星,構成了「地球觀測系統」的一個重要部分,儀器的分辨率提高到了最高250米。此外,日本、韓國、印度等國也發射了自己的海洋水色衛星。

大陸的海洋水色衛星家族由「海洋一號A」「海洋一號B」和今年9月剛剛發射的「海洋一號C」構成。「海洋一號A」衛星裝備了10譜段海洋水色掃描儀和4譜段海岸帶成像儀,運行在高度為798公里的太陽準同步軌道上。它於2002年5月15日升空後,在軌運行685天,結束了大陸沒有海洋衛星的歷史。作為「海洋一號A」的後續業務星,2007年發射的「海洋一號B」衛星在軌運行時間達到了8年10個月,超期服役5年10個月,衛星的各項技術指標也比「海洋一號A」有了很大的提升。

「海洋一號B」傳回的數據為生態監測和漁業生產提供了重要的幫助。海洋中的浮遊生物和細菌等在一定條件下的爆發性增殖和聚集,會引起一定範圍內的海水變色。這種現象被稱為「赤潮」,對海洋環境和漁業、養殖業都有嚴重危害。「海洋一號B」衛星的數據可以讓有關部門對較大範圍內的赤潮產生情況進行監測,採取相關措施。而形似植物的海洋綠藻的過增殖,則會引發另一種被稱為「綠潮」的現象。綠潮不但會阻礙海上觀光和運動,還會大量消耗海水中的氧氣,威脅海洋養殖。「海洋一號B」衛星同樣能提供這種現象的監測。

海洋動力環境衛星:

觀測海風與海浪

海浪是海洋中最廣為人知的一種現象,從「無風三尺浪」到風暴期間的驚濤駭浪,海浪給予了大海多變的「性格」,而風的變化又是海洋「心情」變化的一個動因。海洋動力環境衛星就具備從太空中探測海浪和海風的本領。此外,它還能對海水流動的速度方向和海上的結冰情況進行探測。

海洋動力環境衛星的主要探測手段為微波遙感。在人類第一顆海洋衛星Seasat上,就裝備了多台微波遙感儀器。剛剛發射的中法海洋衛星上,裝備了中國科學院國家空間科學中心研發的用於測量海面風場的微波散射計。在進行探測時,微波散射計會向海面發射微波信號。如果海面是平靜的,這束斜射到海面上的微波信號就會被反射到其他方向上,無法被衛星接收。而如果此時海面在風的吹動下已經起浪,有一部分微波信號就會被起伏的海浪反射向衛星的方向,被衛星上的儀器接收到。通過相關的數學模型進行反演計算後,即可得到風的強度。而風的方向,則需要從不同的方向進行多次測量後才能確定。為此,中法海洋衛星的微波散射計上安裝了一個能夠轉動的天線,可以借助衛星在軌道上的移動對一個區域進行多次探測。衛星上的另一台微波遙感儀器是法國方面研發的海洋波譜儀,可以對海浪的高度和幅度進行探測。兩台儀器「雙劍合璧」,可以使人們獲取海洋表面情況的立體信息。微波遙感觀測不受天氣、光照等條件干擾,即便海面以上有雲層覆蓋,也能持續開展探測工作,從而可以提供全天時、全天候的不間斷服務。

除了中法海洋衛星外,大陸的海洋動力環境衛星「海洋二號A」和「海洋二號B」也相繼於2011年8月和今年10月發射,「海洋二號A」衛星獲取的觀測數據已經在應對災害性海上天氣的工作中發揮作用。例如,每年夏秋季節,都會有台風襲擊大陸華東、華南等地區。「海洋二號A」上的微波散射計能夠獲取全球範圍內海面附近的風速、風向。利用風速分布,尋找高風速區域中的極小值,就能發現台風眼的位置。此外,通過風向的分布,找到台風渦旋結構的中心點,也是獲取台風眼位置的一種方法。發現台風眼後,就能對台風中心進行有效監測,及時對台風的接近和登陸做出預警。

「海洋二號A」衛星和「海洋一號B」衛星的數據結合使用時,還能夠識別出大洋中可能存在漁業資源的區域,從而可以用來探測大洋漁場。目前,有關業務部門已經可以對全球三大洋10個海域的魚種進行每周一次的分析和預報,預報結果可以實時分發到在海洋上作業的遠洋漁船上,為金槍魚等魚類的科學捕撈提供技術支撐。