海洋卫星：从太空看海洋 洞悉大海秘密

科技新闻来源：北京日报 2018年11月07日 10:39 A-A+
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　　美国Seasat海洋卫星

　　美国Aqua海洋卫星

　　李会超

　　新闻背景

　　近一段时间，关于海洋卫星的消息比较多：10月29日，中法合作研制的首颗卫星——中法海洋卫星在酒泉卫星发射中心发射成功；10月25日，我国“海洋二号B”卫星在太原卫星发射中心发射成功；9月8日，我国“海洋一号C”卫星在太原卫星发射中心成功发射。有消息称，到2020年，我国将研制和发射3大类系列海洋卫星共十余颗。

　　那么，海洋卫星究竟是怎样的卫星？

　　与太阳共舞，从太空看海洋

　　在海洋卫星出现前，人们对海洋研究的数据多来自轮船或浮标的测量。然而，轮船出海一次能够覆盖的空间范围有限，同时也难以在时间上连续监测某一地区的数据变化。而浮标虽然能给出时间上连续的观测数据，但一般难以高密度布置，无法对海洋中各类现象在空间上的变化给出足够精细的解析。

　　随着航天技术的发展，人们开始利用遥感卫星从太空中观察我们的地球，海洋探测也因此迎来了新的机遇。在卫星探海的早期，人们大都利用综合性的气象卫星和资源卫星上搭载的仪器获取海洋的信息。但由于海洋现象和变化的特殊性，需要专门进行海洋探测的卫星才能满足人们了解海洋的需求。

　　1975年，世界上第一颗海洋卫星Seasat在美国发射升空。这颗卫星由NASA所属的喷气动力实验室研制，主要任务是验证使用专门的海洋卫星进行海洋探测的可行性，并探索未来真正投入业务运行的海洋卫星的设计需求。在轨道上工作了106天之后，这颗卫星不幸遭遇了一次内部电路的大规模短路事故，无法继续执行任务。虽然在轨时间不长，数据的分辨率也无法与之后的卫星相比，但它上面安装的仪器几乎涵盖了现今海洋卫星使用仪器的全部种类，为之后的海洋卫星发展奠定了基础。

　　为了给全球的海洋进行扫描，海洋卫星大都工作在太阳同步轨道上，每天在相同的时间经过世界各地，在大致相同的太阳对地光照条件下观测地面。假如我国的某颗海洋卫星第一次经过南海某岛屿上空时，太阳高挂于正南方，那么这颗卫星下次光临该岛屿时，太阳也应该处于大致相同的位置。和定点于赤道上空、更加为人所知的地球同步轨道不同的是，太阳同步轨道的倾角一般比较高，卫星在工作过程中要经过南北两极上空。为了更清晰地观察地球表面的情况，海洋卫星的轨道高度一般只有数百公里，比地球同步轨道三万六千公里的高度要低不少。

　　自上世纪70年代开始，各国开始研制发射专门用于海洋遥感探测的海洋卫星，迄今已有数十颗海洋卫星上天，赋予了我们了解这片蔚蓝世界的“千里眼”。

　　海洋水色卫星：揭开海水中的成分秘密

　　我国的海洋卫星起步于21世纪，目前已经形成了“海洋一号”和“海洋二号”两个卫星家族。其中，“海洋一号”卫星属于海洋水色卫星。

　　在我们的生活经验中，清澈的水如果掺入了其他物质就会变色，而海洋水色卫星所探测的也正是海水中所包含的叶绿素浓度、悬浮颗粒物和有机物浓度等特征。

　　海洋水色卫星洞悉海洋秘密的“武器”是光谱扫描成像仪。照射地球的阳光实际上是由许多不同波段的光线共同构成的。当阳光照射到海洋上并被海洋水体反射后，水体内所包含的物质会引起特定波段光线的光谱特征变化，发生变化的波段可以在实验室中预先确定。扫描成像仪可以从反射的光线中提取出需要关注的波段的光谱特征。之后，通过计算分析就可以得到海水中包含的物质特征。为了完成观测任务，海洋水色卫星所使用的光谱扫描成像仪必须具备高信噪比、精准的光谱响应标定和准确的辐射定标精度等特性。也就是说，这种仪器不但要能够十分清晰地看到海洋反射的光线，还要对自己本身的“体质”也有清楚的认识。同时，在通过光谱数据推断所要探测的物质特征时，需要考虑光线在传播路线上所受到的大气层影响，设计合理的计算方法。

　　世界上第一颗海洋水色卫星是美国于1997年8月1日发射的“海星”（Seastar），后来，这颗卫星又被重新命名为“轨道观测-2号”卫星。这颗卫星上只装备了一台名为海洋观测宽视场遥感器的载荷，拥有8个观测频段，空间分辨率为1.13公里。这颗卫星的主要科学目标是探究海洋浮游生物的分布和活动，分析海洋在全球碳循环和其他生物化学循环中的作用，并促进海水水色数据处理技术的发展。在“海星”之后，美国还发射了名为“土”（Terra）和“水”（Aqua）的两颗海洋水色卫星，构成了“地球观测系统”的一个重要部分，仪器的分辨率提高到了最高250米。此外，日本、韩国、印度等国也发射了自己的海洋水色卫星。

　　我国的海洋水色卫星家族由“海洋一号A”“海洋一号B”和今年9月刚刚发射的“海洋一号C”构成。“海洋一号A”卫星装备了10谱段海洋水色扫描仪和4谱段海岸带成像仪，运行在高度为798公里的太阳准同步轨道上。它于2002年5月15日升空后，在轨运行685天，结束了我国没有海洋卫星的历史。作为“海洋一号A”的后续业务星，2007年发射的“海洋一号B”卫星在轨运行时间达到了8年10个月，超期服役5年10个月，卫星的各项技术指标也比“海洋一号A”有了很大的提升。

　　“海洋一号B”传回的数据为生态监测和渔业生产提供了重要的帮助。海洋中的浮游生物和细菌等在一定条件下的爆发性增殖和聚集，会引起一定范围内的海水变色。这种现象被称为“赤潮”，对海洋环境和渔业、养殖业都有严重危害。“海洋一号B”卫星的数据可以让有关部门对较大范围内的赤潮产生情况进行监测，采取相关措施。而形似植物的海洋绿藻的过增殖，则会引发另一种被称为“绿潮”的现象。绿潮不但会阻碍海上观光和运动，还会大量消耗海水中的氧气，威胁海洋养殖。“海洋一号B”卫星同样能提供这种现象的监测。

　　海洋动力环境卫星：观测海风与海浪

　　海浪是海洋中最广为人知的一种现象，从“无风三尺浪”到风暴期间的惊涛骇浪，海浪给予了大海多变的“性格”，而风的变化又是海洋“心情”变化的一个动因。海洋动力环境卫星就具备从太空中探测海浪和海风的本领。此外，它还能对海水流动的速度方向和海上的结冰情况进行探测。

　　海洋动力环境卫星的主要探测手段为微波遥感。在人类第一颗海洋卫星Seasat上，就装备了多台微波遥感仪器。刚刚发射的中法海洋卫星上，装备了中国科学院国家空间科学中心研发的用于测量海面风场的微波散射计。在进行探测时，微波散射计会向海面发射微波信号。如果海面是平静的，这束斜射到海面上的微波信号就会被反射到其他方向上，无法被卫星接收。而如果此时海面在风的吹动下已经起浪，有一部分微波信号就会被起伏的海浪反射向卫星的方向，被卫星上的仪器接收到。通过相关的数学模型进行反演计算后，即可得到风的强度。而风的方向，则需要从不同的方向进行多次测量后才能确定。为此，中法海洋卫星的微波散射计上安装了一个能够转动的天线，可以借助卫星在轨道上的移动对一个区域进行多次探测。卫星上的另一台微波遥感仪器是法国方面研发的海洋波谱仪，可以对海浪的高度和幅度进行探测。两台仪器“双剑合璧”，可以使人们获取海洋表面情况的立体信息。微波遥感观测不受天气、光照等条件干扰，即便海面以上有云层覆盖，也能持续开展探测工作，从而可以提供全天时、全天候的不间断服务。

　　除了中法海洋卫星外，我国的海洋动力环境卫星“海洋二号A”和“海洋二号B”也相继于2011年8月和今年10月发射，“海洋二号A”卫星获取的观测数据已经在应对灾害性海上天气的工作中发挥作用。例如，每年夏秋季节，都会有台风袭击我国华东、华南等地区。“海洋二号A”上的微波散射计能够获取全球范围内海面附近的风速、风向。利用风速分布，寻找高风速区域中的极小值，就能发现台风眼的位置。此外，通过风向的分布，找到台风涡旋结构的中心点，也是获取台风眼位置的一种方法。发现台风眼后，就能对台风中心进行有效监测，及时对台风的接近和登陆做出预警。

　　“海洋二号A”卫星和“海洋一号B”卫星的数据结合使用时，还能够识别出大洋中可能存在渔业资源的区域，从而可以用来探测大洋渔场。目前，有关业务部门已经可以对全球三大洋10个海域的鱼种进行每周一次的分析和预报，预报结果可以实时分发到在海洋上作业的远洋渔船上，为金枪鱼等鱼类的科学捕捞提供技术支撑。