9月9日 神舟三号上的科学实验 (孙辉先)-第2章
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上生长，我们可以看到，它的表面有收缩有很多的沟。下面这一个是在空间生长的，它的表面非常光滑。当然这只是外观，科学家们进一步在做它的金相实验，进一步地分析研究。下面我们介绍一下，地球环境监测这个方面的科学实验。地球环境监测的任务，是对地球环境的变化进行系统地监测、开展地球系统的研究，建立地球环境定量的模型。它的意义是非常大的。因为了解和预测人类赖以生存的地球环境的变化，这对人类是非常重要的。尤其是对于我国来说，我国幅员广大、自然灾害频繁，这样的话我们对气候的监测更加重要。
这次监测的内容，是有这三个方面。一个是要定量地监测太阳的输入。也就是太阳对地球辐射的绝对量，辐射的能量。因为这是地球上主要的能源来源。第二个是要监测保护地球生物圈的大气臭氧浓度分布和垂直的结构变化。因为臭氧对保护人类也非常重要。第三个是监测一下地球向太空的辐射能量。所用的仪器有三种，一个叫做太阳常数监测器，再一个叫太阳紫外光谱监视器，再一个叫地球辐射收支仪。我们先看一下太阳常数监测器。由于地球围绕太阳旋转的轨道是一个椭圆的轨道，因此这个距离是在变化的。另外 由于太阳本身发光的特性也在变化，比如太阳有活动周期，有黑子、有爆炸，这样太阳发射出来的能量也是有变化的。这样的话我们要监视太阳辐射到地球上的能量变化，太阳是地球的主要外部能源，是地球环境的一个决定的因素。有研究表明，当太阳总的辐射量只要变化1％，就足以引起严重的地球上的气候变化。所以说，对地球上中长期的天气预报，都需要依靠太阳辐射的资料。
太阳常数监测器是这样的，它有三台绝对辐射计构成。这三台辐射计每一个视角范围是45度，三个相隔，每一个差15度，每一个的视场角是7。5度，它的测量范围是每平方米100瓦到2000瓦，它的光谱范围是从0。2微米到50微米。太阳常数测定的精度是5‰。下面这一个，是太阳绝对辐射计的一个内部结构图，它的初步结果是这样，这是在我们国家，首次进行太阳常数的测量，获得了非常精确的结果。举两个例子，一个是（2002年）3月30号到31号，用其中的2号绝对辐射计，测得了太阳常数的平均值是每平方米1366。9瓦。（2002年）4月1号到3号，用3号绝对辐射计测得太阳常数的平均值为每平方米1365。6瓦。国际上公认的这个数据，平均值是1367±7瓦每平方米。
现在太阳常数（测量）仍然在继续进行。这个结果给出了，两次具体的测量结果。我们看，蓝色的是一个国际公认的太阳常数的变化的平均值，这个粉红色的点是这台仪器实测的，在每个时刻的实测值。这个是在另一天测的，实际上每天都在测量。
另外一台仪器叫太阳紫外光谱监视器。这一台主要测量太阳和大气紫外光谱。太阳和大气紫外光谱对地球的意义非常大。我们知道太阳紫外是太阳物理、大气物理、环境科学、气象科学、气候学所共同关心的一个焦点问题。太阳紫外辐射的能量，对于高层大气当中的光化学反应、臭氧的生成起到关键的作用。我们知道臭氧是地球的一个保护圈，如果臭氧层减薄，有可能破坏生物的DNA 、抑制作物的生长、破坏生态的平衡。但是由于大气的吸收，太阳紫外光谱，一般它的波长是小于0。29微米。这个测量只能在外层空间进行，在地球上没办法进行。这是这台仪器，这个是电控箱，这个仪器的本身。它能够测两个方向，一个是从太阳直射的光线，过来以后通过这个反射板进到里边去，它可以测太阳紫外光谱。另外一个从直接的方向，这个方向进去的时候，它可以测大气后向散射的紫外的光谱。它测量的范围是0。16到0。4微米，光谱的分辨率是0。15纳米，它测量的误差是±5％。它的结果是这样，它也是我们国内首次在340公里的高度上测得的太阳紫外的光谱和大气的后向散射的光谱。特别是12个特征波波长，测得了这个光谱。这个结果与国际上报道的结果进行比较，结果是非常一致的。这个是作为一个比较结果，当然不是说有了这个结果，我们就不必测了。因为我们是第一次测量，首先我们要比较一下这个结果和国际的结果是不是吻合。这样衡量这个仪器测得是不是准，它测得准，以后可以利用它来监测。这个粉红色的，是国际测量的平均值。黑色的是我们实测数据。我们看它吻合得非常好。这个测得的大气后向散射的12个特征光谱。
第三台关于地球环境的监测仪器，是地球辐射收支仪。地球辐射平衡是人类生存环境的一个必要条件。地球上不同区域辐射的收支差，是形成重大气候现象的主要原因。我们刚才谈到，太阳常数是测的太阳辐射进来的紫外，是测太阳辐射的紫外的光谱。我们要测地球向外层空间辐射了多少能量，通过这三个仪器来了解地球环境。这个照片是这台仪器，它的测量范围是从0。2到50微米是一个全波，它的短波段是0。2到4。5微米，这都是光谱的波长。视场角是±45度，测量的误差对全波来说是1％，对短波来说是1。5％。初步的结果是这样，设备工作是正常的，一直到现在还在测。在我国首次得到了，大量地球长波辐射和太阳反照率的数据，为我国以后在卫星上装载此类仪器，提供了一个良好的条件。地球辐射收支仪现在还在继续工作，这个是给出了发射以后第5天的一个测量结果，这里边看，这个粉红色的是一个短波辐射。短波辐射在阴面，也就是在地球背面，黑天的时候就没有了。黄色的是长波辐射，这个无论是在背面和前面都可以得到，蓝色是一个全波辐射。
下面我们再看一下空间环境的监测，我们知道空间环境变化，对人类航天任务关系非常重大，它涉及到载人航天的安全问题。因为在高空，在宇宙空间当中，有好多粒子环境、重粒子的辐射，同时在高层实际上还有一部分稀薄的大气。这些对于航天器的安全都有重大的影响。特别是对我们飞船，这个高度是300多公里，这时候的大气密度和大气成分，这是一个很重要的参数。因为有一定的大气密度，这个飞船的轨道会由于大气的存在，轨道逐步下降和衰竭，到一定程度飞船就会落到地面上来，进入大气层被烧毁。所以，这样大气密度就决定了航天器的寿命，决定了它的寿命。另外，大气成分就是在高层里边，有很多的氧原子，氧原子对航天器表面会产生侵蚀作用。研究这些了解它的状况，对于我们保护航天器的安全，是至关重要的。
神舟三号上关于空间环境的监测内容主要是监测两个，一个就是大气密度，再一个就是大气成分。这是这台大气密度探测器外观的样子。它探测的密度范围，是从6。7×10负三次方帕到6。7×10的负五帕就是这样的一个大气的范围。当然它取样室的温度是0℃…60℃。有了温度、有了气压就能折算出它的大气密度是多少。它是每一秒钟取一个样。这个就是大气成分探测器，它是中性成分质谱，它测量范围是2—34个原子单位。它的结果是这样，这两台仪器一直是工作非常正常，从发射上去以后，在自主飞行段，也就是七天运行的时间内，我们叫做它自主飞行段，以及到留轨飞行段，就是说返回舱回来以后，轨道舱在空间继续运行，叫留轨飞行。这两个段当中，这两个段包括各种不同的飞行模式之下，大气成分和大气密度资料，获得了一个全的资料。经过对数据的预处理，已经分别获得了十分详尽的，有关自主段的轨道高度、留轨初期的轨道高度和航行偏航模式下的高质量的大气成分和大气密度的实测数据。这是一个大气密度的测试结果，我们可以看到，在南北纬40度之间，这个大气的密度的变化。底下的这个部分，是在飞船运行到地球背面时候的情况，这个时候，上面这个密度比较高的部分，是向阳的部分。这是一个大气密度（测试结果），而且这次是在地球发生磁暴以前9个小时，所以它的结果是非常平稳的。这张图给出的磁暴发生以后7个小时，可以看到这个密度是有扰动的，而且整个的密度有所提高。这张图给出了大气成分探测器的结果。我们可以看到，这里边原子氧的成分很高。此外还有氮分子，还有一个氮的原子。
下面我们看一下对地观测，对地观测所采用的一台仪器叫做中分辨率成像光谱仪。成像光谱仪是新一代的图谱合一的光学遥感仪器。它具有获取地球目标，包括海洋、大气、陆地详细的光谱景象和快速、全球的覆盖能力。它所获得的这些地球目标的不同光谱的景象，有很多用途。它可以用来比如说可以用来农业的估产、比如小麦的产量、小麦成熟程度、生长得好坏，这种情况的地物波谱是不一样的。我们从空间获得的波谱，再加上和已有的样板进行比较，就能够对作物的产量做出估计。这个方面我们国家，也是进行了很多的研究，估产的精度非常高。再如可再生资源的调查，还有自然灾害的实时监测，比如说像洪水、水灾、沙尘暴，还有海洋环境的一些调查。比如说海洋的污染，海洋含有的叶绿素的多少，海岸带的泥沙淤积情况，这都可以进行监测。
这个就是一个示意图，就是我们知道，我们平常看到的所有光线，也都属于电磁波的一种。可见光的波长，一般是在0。39到0。76微米，这个很窄的段属于可见光。比如说紫光、蓝光、青光、绿光，黄、橙、红占了这样一个波段。这个波长，比红的波再长的就是红外，红外线一般波长是从0。76微米到750微米。比紫色的光波长再短的，就叫做紫外线。它的波长一般是从1个纳米到0。4个微米。比这个紫外线再短的就X射线，再短就是γ射线，这是一个全部的光谱。这次光谱仪，中分辨率成像光谱仪，就把可见光整个的这一段分成了20个波段，另外在近红外里边有10个波段，在热红外里边和短波红外里边，增加了4个波段，这样的话，就是一共有34个波段。换句话说，就是当飞船飞越地面进行扫描的时候，它在一次通过的时候，可以获得地面34幅图像。它的空间分辨率是1。5个毫弧度。也就是说，如果是在340公里左右轨道上的话，它的一个向圆的点，对应于地面是500米。所以说它是一个中分辨率。所以它是从宏观上的、大的方向来看地球上的情况。但是它扫描的范围很宽，它是正负44度。在340公里高度上，它扫描在地面对应的宽度，大约是500公里。这是这台仪器的景象。这一部分是它的中分辨率成像光谱仪，这一部分是它的斯特林制冷机。因为要进行红外测量，必须把传感器冷到开氏80度，这个是斯特林制冷机的电控箱，这个是总的电子学箱。光谱仪在轨运行期间获得了大量的可见光、近红外、短波红外和热红外的不同地区的34个波段的图像。这些图像从原始图像看，图像非常清晰，层次丰富。原始图像经过地面的均匀性校正以后，能够去除明显的条带，图像质量非常好。这也是我国在继美国1999年发射的这样的中分辨率成像光谱仪以后，是世界上第二台进入太空的光谱仪。我们看几张这次中分�
