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NASA利用最新激光技术测量冰层高程
时间:2014-03-03
   美国国家航空航天局(NASA)的机载试验多束激光雷达高度计(MABEL)的最新成果表明,光子计数技术将有助于研究人员追踪地球冰冻区的融化或生长。20124月,一架高空飞机飞过冰封的北冰洋和被积雪覆盖的格陵兰岛,开始了首个使用最新激光技术从太空测量地球高程的极地试验。MABEL是一种机载试验台测试仪器,用来模拟2017NASA计划发射的冰、云和陆地高程卫星(ICESat-2)。MABELICESat-2ATLAS仪器均为光子计数器,能够发射绿色脉冲激光,计算单一可见光子到达地表后反射,再返回仪器所需要的时间。这一时间,连同机载GPSATLAS的精确定位,一起被输入计算机程序,获得地表高程。

20032009年,ICESat-1的仪器强调返回的激光信号强度,包含大量光子。而使用单一光子来测量地表高程却是一项新的研究,对于轨道卫星来说还属首次。MABEL获得的单一光子数据,可以为即将从ICESat-2获得的大量高程数据做准备。ICESat-2的任务是测量整个地球表面的高程,包括植被和海洋,但重点是观测冰冻区的变化,在此,科学家已观测到气候变化的强烈影响,并且冰的2种形态(冰盖和海冰)反映了不同形态的可见光子。陆地上已发现的冰盖和冰川,如格陵兰岛和南极洲,由冻雪和雨水积聚形成的;而海冰是冻结的海水,呈漂浮状,分布于北冰洋和南极洲近海。

利用不同表面的光子计数,科学家们可以开始分析数据,确定最佳的地表高程测量数据分析方法。要想实现多种目标类型,首要任务是获取大量数据开发算法。如格陵兰岛附近海域的飞行试验证实了测量无冰水面和海冰间的高度差的可行性,对于确定冰层厚度十分重要。MABEL能探测到足够多从地表反射并返回仪器的激光光子,进入程序进行高程计算。目前MABEL的任务之一是证实ICESat-2的仪器将会对测量高称敏感。只要有足够的光子,就可以进行光子计数。

《大气与海洋技术》(Atmospheric and Oceanic Technology)期刊最新发表的文章介绍了利用MABEL数据在不同类型的冰中计算高程的方法,从无冰水面到薄的玻璃状冰,再到被雪覆盖的冰。计算精度较高,平原地区可精确至厘米级,崎岖地区较粗略。光子探测密度也能显示仪器正在飞过的冰层类型。监控大陆冰盖和冰川时,结冰区的表面轮廓也很重要。早期的ICESat-1是单光束仪器,很难测定冰盖的增长或减薄。当仪器两次越过同一地点时,无法辨别是否积雪层已经融化,因此需要在同一地点反复测量10次,确定冰盖的变化。ICESat-2成功地解决了这一问题,它将激光分成63对,每对间隔90 m,比一个足球场的距离还小。通过将观测点与其相邻地区的高程进行对比,科学家们能确定该区的总比降。


NASA's Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar flew over Southwest Greenland's glaciers and sea ice to test a new method of measuring the height of Earth from space.

研究人员尝试使用2012年格陵兰计划获得的MABEL数据探测斜率,发现斜率仅下降了4%,这一结果将发表在20145月出版的《地球科学和遥感》(Geoscience and Remote Sensing Letters)杂志。为了模拟ICESat-2即将携带的弱激光束,研究仅对一部分光子进行了计数。使用计算机程序来确定斜率,已证实结果与早期的结果相悖。ICESat-2的成对激光束精度很高,可以探测到斜率。MABEL还可以用于更多的测量。仪器团队正在规划2014年夏季飞越冰川和冰盖,试图获得冰层融化的影响因素,以及气候温和期冰川的变化情况。

 

原文题目:

New NASA laser technology reveals how ice measures up

资料来源:

http://www.nasa.gov/content/goddard/new-nasa-laser-technology-reveals-how-ice-measures-up/#.UvY9BrKBR1w 

资料提供:

中国科学院遥感与数字地球研究所;中国科学院国家科学图书馆兰州分馆/中国科学院资源环境科学信息中心

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