飞到青藏高原7千米高空 浮空器将大气成分“尽收眼底”

近日，由中科院空天信息研究院研制的系留浮空器——“极目一号”浮空器在西藏纳木错地区成功挑战海拔7003米的高度。这也是世界范围内已知的同类型同量级浮空器驻空高度的世界纪录。
执行此次科考任务的是第二次青藏科考水汽传输科考分队。科研人员在纳木错多圈层综合观测站开展区域水循环观测研究，利用“极目一号”浮空器综合观测地表至海拔7000米高空的大气水汽稳定同位素、大气黑碳和大气甲烷含量等大气组分，首次获得了青藏高原海拔7000米高空的大气组分变化科学数据。
    揭示“亚洲水塔”水的来源
“浮空器上到海拔7000米以上测大气中的水汽稳定同位素，在世界上是第一次，在青藏高原上更有它的特殊意义。”中科院院士、第二次青藏科考首席科学家姚檀栋介绍，青藏地区是西风和季风相互作用的地区，而纳木错地区又是西风季风相互作用的转换地区，“对于整个亚洲水塔的水汽来源，西风和季风分别起多大作用，这是个新问题。”
纳木错是青藏高原第二大湖泊，位于藏北羌塘高原东南部，湖面海拔4718米。纳木错流域地处青藏高原腹心地带，是第二次青藏科考包括长江、怒江、色林错、纳木错在内的“两江两湖”区域重要的观测地。“江湖源头的水，从大气的水，到冰川、冻土、湖泊、地下水的转换过程，我们要搞清楚。”姚檀栋说，这次通过浮空器现场观测，发现了从东南方向来的水汽输送，这超出了过去对印度季风输送高度的传统认识。
青藏高原作为世界第三极，是仅次于南极、北极的冰雪储地。亚洲十多条大江大河发源于此，供养了世界上五分之一的人口。当前，第三极大部分冰川正在退缩，湖泊正在扩张，气候变化加速改变着这座“亚洲水塔”。“我们必须搞清楚该区域雪、冰、水的变化，监测水循环，以应对各种灾害、风险。”姚檀栋说。
监测第三极水循环，除了跟踪气温、湿度、气压、降水、风速等传统气象要素外，还需要通过测量大气水汽中氢和氧稳定同位素比率来获得更多关于水循环的信息。“极目一号”浮空器带回的相关数据，告诉我们空气中的水分是如何远距离输送，又在大气边界层经历了什么样的变化过程，为揭示“亚洲水塔”水的来源提供了关键科学数据和新理论基础，也为全球变暖背景下青藏高原水—生态—人类活动链式变化应对策略的提出提供重要科学理论依据。
    可进行垂直剖面和驻空观测
执行此次任务的“极目一号”浮空器是高原体验版，体积2300立方米，是我国同量级流线型浮空器在青藏高原的首次成功应用，可携带科学探测仪器进行垂直剖面和驻空观测。
高原体验版的“极目一号”和普通浮空器有什么区别?中科院空天信息研究院系留浮空器执行队长张泰华告诉科技日报记者，“极目一号”更适应高原复杂的风况，环境适应性和抗太阳辐照能力更强，平台的电磁兼容性能作了特殊设计。“操作系统也尽可能半自动化，减少人的体力操作。也研制了无线监视系统，可以实时监视平台运转情况和地面气象情况。”张泰华说。
为更好服务第二次青藏科考，中科院空天信息研究院将自主研发“极目一号”“极目二号”和“极目三号”浮空器。这3款浮空器体积从小到大，驻空高度由低到高，系统复杂和技术难度也逐渐递增。
张泰华介绍，“极目二号”是科考定制版，将为第二次青藏科考量身打造，设计驻空高度为海拔7000米，将在藏东南鲁朗站，藏中部珠峰站、纳木错站，藏西部慕士塔格站等多站点通用。“这些不同区域的海拔、湿度、高空风场、太阳辐照情况相差很大，需要从多方面综合考量，拿出最优化的方案。”张泰华说，“极目二号”将于2020年底研制完成。
“极目三号”的目标是技术突破，设计驻空高度将超过珠峰高度，到达9000米。张泰华说，9000米高空的空气非常稀薄，风又大又乱，气温最低可达零下三四十摄氏度，对于整个系统来说难度很大。“浮空器体积要在6000立方米以上，电子元器件要适应低温低气压环境，还要防止在干燥空气中可能产生的静电积累。而且，还要抵抗每秒20米的大风，根据空气动力学特性对艇体要有相应的针对性设计。”张泰华说，“极目三号”的平台技术难度、驻空高度、携带载荷所取得的可能成果，都有望是空前和突破性的。目前正在进行关键技术测试和试验，有望于2021年底研制完成。
    同步观测大气物理与化学等参数
浮空器升空过程中，多种仪器将同步观测大气物理与大气化学等多种参数。第二次青藏科考水汽传输观测分队介绍，自2017年11月至2019年4月，科考队已在藏东南鲁朗地区、珠峰地区利用同类大型浮空器开展了5次水汽稳定同位素、大气黑碳和甲烷浓度等科学参数的垂直剖面观测。
对于广袤、高海拔、复杂多变的第三极地区来说，过去没有条件，靠科研人员的脚步丈量冰川，只能获取平面二维数据;现在，长得萌萌的浮空器就像在7000米高空上观测第三极的眼睛，从第三个维度追踪水循环，监测地面和空中液态水、冰和水汽的变化。
正是通过监测水中的稳定同位素，将水蒸气流引向第三极的两种气候模式被发现——印度季风和盛行西风。印度次大陆在春夏季变暖的时候，大气对流会将水分从孟加拉湾、阿拉伯海和印度洋吹向北方。这会在喜马拉雅山脉等地方形成降水。强西风还会将地中海的水分带到第三极地域的北部和西部。
水汽稳定同位素信息记录下了冰川表面和大气每天变热、变冷的时候，水分是如何从中释放到空气里的。但目前还有很多问题待解。中科院青藏高原研究所研究员高晶说，例如水在固、液、气三相间转化对该区域水循环有什么影响;不同过程在区域水循环中所发挥的作用，还缺乏定量的理解;气溶胶和冰碛物对冰川的积累和融化有什么影响等。
水循环必须从三个维度进行追踪和监测，同时还要监测其变化。浮空器的加盟为回答上述问题提供了可能。