【技术创新】土壤湿度任务产生首幅全球地图
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2015-07-07

2015年4月24日

当天线正以全速旋转的时候,美国国家航空航天局(NASA)新型土壤湿度主-被动探测卫星(SMAP)观测台已对其科学仪器成功进行了再测试,并获得了首幅全球地图,这是下月开始的常规科学操作的关键一步。

于1月31日发射的至少3年使命的SMAP卫星,将测量全球土壤湿度,并对土壤是否冻结或解冻进行探测。此项任务将帮助科学家了解地球上水、能源和碳循环间的相关性;帮助减小天气和气候预测方面的不确定性;并提高我们对监测和预测诸如洪水和干旱等自然灾害的能力。

3月下旬,加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室(JPL)任务管理者在操作过程的第二步中成功地旋转SMAP的20英尺(6米)宽天线达到全速,即每分钟14.6转。

SMAP旋转天线对地球表面进行锥型扫描,以620英里(1000公里)地面幅宽,距地426英里(685公里)高度在两极间进行测量。这个幅宽和极轨能力使得SMAP在每2-3天可获取全球高分辨率雷达测量数据。

在旋转加速完成时,此卫星观测台雷达和辐射计设备在3月31日到4月3日开启,测试天线的指向精度,以及雷达和辐射计的全面性能。测试中获得的雷达数据已被处理加工成大约19英里(30公里)空间分辨率的数据产品。

测试中生成的首幅完整全球地图已经上线:

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA18057

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA18058

SMAP雷达,以1.2千兆赫频段运行,向地面传送微波脉冲,并接收和测量从地球反射而来的信号强度,称作背反射。微波对于水――包括土壤中的水的反应不同于干燥土壤。水改变了背反射的强度和微波的极化水平(微波电场的方向)。

因此,来自湿土的背反射更强并且与较干土壤的极化情况有所不同。这个差异化程度使得科学家可以区分土壤中水分存在的数量。SMAP的雷达发射脉冲有两个不同的偏振,水平和垂直的,这有利于更完整的测量这一效应。

类似雷达,SMAP辐射计发现土壤水分产生微波的差异;但它以1.4千兆赫的频率测量地球自然微波辐射。

围绕全球,最显著的自然辐射区别在水和土地表面之间。一个沙漠的微波辐射量大约是一个湖泊释放量的3倍。由于两者区别很大,辐射计甚至可以准确测量土壤中少量湿度变化。

在合成雷达图像中(http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA18058),全球土地、海洋和冰层情况是显而易见的。较弱的雷达信号覆盖撒哈拉和戈壁沙漠,以蓝色描述,反映出它们非常低的土壤湿度以及缺乏植被覆盖。

相比之下,植被密集的亚马逊和刚果热带雨林有很强的雷达信号,用红色描述。在北美地区,落基山脉的北方森林和树冠,内华达山脉和喀斯喀特山脉,还有密西西比河东部地区,也有很强的雷达回波信号。一大片平地的美国大平原上的北美大草原,显示的雷达回波强度相对较低。

SMAP雷达也能获得覆盖地球海洋和海冰的数据。开放海域雷达数据变化反映了海面风场的情况,热带地区风力相对较低,高纬度地区风力大。包含空气气泡和盐析作用的北极圈海冰产生的雷达回波强度与草原或苔原的相似。

设备测试的辐射计数据,可以通过此网站获得:http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA18057。这些数据处理后可用来测量地球表面微波辐射量,在约25英里(40公里)水平空间分辨率条件下,表达开尔文亮温。亮温是测量从地球表面到卫星微波辐射量大小的方法。

亚马逊和刚果热带雨林产生强辐射,以红色描述,归因于大规模生物量。撒哈拉沙漠亮温达到80华氏度(约300开尔文),归因于低含水率。

土壤湿度对五大湖南部一个很大地区的影响十分明显,由于3月降水造成的土壤水分增加导致了零下100华氏度(约200开尔文)相对凉的亮温。类似的关于土壤湿度和亮温的降雨影响出现在非洲纳米比亚和博茨瓦纳地区,3月底在那里有明显的降雨。

地球海洋的辐射计亮温通常都低于零下172华氏度(160开尔文),以蓝色描述。但是,使用不同颜色比例尺度,可以突出展示海洋的微妙变化,海洋上风的影响也能够明显展示。

格陵兰岛和南极洲的亮温低(大约200开尔文)归因于它们的自然低温和高辐射率(这些极地释放的热能效)。海冰的亮温介于中间范围由于其盐含量小于海洋中盐水,但是亮温值高到足以与土地表面区分。

SMAP任务需要产生全球土壤湿度高分辨率地图并监测土壤冻结或解冻情况。SMAP雷达有两个数据获取功能:一个是通过合成孔径雷达(SAR)加工产生0.6至1.9英里(1到3公里)空间分辨率雷达测量值,另一个是通过低分辨率处理产生19英里(30公里)空间分辨率雷达测量值。

在常规科学操作期间,低分辨率处理覆盖土地以及全球海洋地区,SAR功能还应用于土地表面和沿海海洋。因为SAR功能只是在3月31日到4月3日测试期间的有限时段才开启,任务科学家至今还无法获得充分的SAR数据来制作全球高分辨率地图。

SMAP现在已经开始执行常规的陆地表面全球测量SAR观测,将能大约每2-3天产生一幅高分辨率全球表面地图。

科学家将结合SMAP雷达和辐射计传感器测量的优点,并设法避开他们的短处。雷达自身能产生一个大约1.9英里(3公里)空间分辨率的土壤湿度测量值,但其测量值不如辐射计产生的值精确。

辐射计自身能够获得一个高度精确的土壤水分观测结果,但是这些结果的空间分辨率很差,远远低于25英里(40公里)。通过先进数据处理结合这些分离的测量结果,SMAP将为用户提供一个高精度和5.6英里(9公里)分辨率的合成土壤湿度测量结果。

需要结合这些主动与被动测量结果的先进处理方法现正进行功能检测,并且这是SMAP发射以来的最后一步检测过程。SMAP将提供各种观测数据产品,包括独立的雷达和辐射计数据。

 

原文题目:Soil Moisture Mission Produces First Global Maps

 

 

(王化编译,殷永元审核)