拯救地球的19種方法

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群星璀璨、萬物有理

提及美國國家航空航天局（NASA）時，大多數人會想到太空和地外之外的宇宙世界。NASA讓人聯想到人類在太空、月球或火箭上的形象。從科學的角度來看，人們也會想到遙遠宇宙中的恆星、星雲和星系，以及太陽系內外的行星。NASA主要有四個科學目標：天體物理學、行星科學、太陽物理學和地球科學。世界地球日屬於地球科學的範疇。

這是由1972年阿波羅17號拍攝到標誌性藍色星球的照片，衛星勘測可以提供從地球上無法獲知的信息。圖片：NASA

利用太空人類可以運用無法從地面獲得信息的方式來觀察地球及其屬性。世界上還有很多需要人類面對的挑戰，無論是自然存在的還是人為創造的事物，都需要人類去了解這些事物經歷了什麼，出現的時間，以及它們的數量。美國國家航空航天局（NASA）和它所做的有關地球的科學研究，對人類成功地前行和面臨當下與未來天氣和氣候的考驗是至關重要的！

雷擊和人類活動是地球上野火發生的兩個主要原因，每一個火災季節野火會蔓延到數千英畝的地方。利用太空，我們可以用一種更高級的方式來監控環境和火災的發生情況。圖片：National Wildfire Coordinating Group

隨著科學的發展，人類仍然不能完全了解地球的複雜系統。地球的大氣層、表面、水體、冰川、生物圈都以複雜的方式進行著相互作用，因此也就形成了一個單連通系統。當地球為自然因素或人為因素髮生變化時，我們只有一個希望：科學地研究系統進而制定最佳的行動路線。只有對地球科學有所認識，並且了解這些相互關聯的部分是如何對自然和人類產生影響，才能成功地預測氣候、天氣和其他自然威脅和危害何時發生。

2017年8月25日在距地球250英里的國際空間站，美國宇航局的宇航員拍攝到的哈維颶風照片。圖片：NASA

美國宇航局地球科學部門的主要任務是指揮衛星和協調空中任務，以儘可能多地觀察地球。觀測範圍包括地球的地表、生物圈、大氣、海洋和冰蓋等等。從氣象學報告、地球溫度測量、大氣中氣體濃度、植被覆蓋率、雲層覆蓋、冰蓋和冰川活動等方面，衛星所做的貢獻是不容忽視的。成千上萬的數據產生又依賴於美國宇航局地球科學計劃。地球變化方式存在這基本的科學問題，如果沒有針對這些變化的合理科學方法，就沒有辦法做出明智的決策。

2001—2002藍色星球合成圖像是由美國宇航局的中解析度成像光譜輻射計（MODIS）數據構成。 圖片：NASA

這就是為什麼在接下來的幾年裡，NASA地球科學部門將全部資金投入到它所計劃的19個即將到來任務中。沒有什麼能比研究系統的準確信息重要，在這種情況下，系統就是我們賴以生存地球。以下是必須確保按照計划進行的任務——如果人類希望了解相關事實，就請不要把資金投入到政治遊戲中去：

No1、ASCENDS：主動檢測夜晚、白天和季節中二氧化碳的排放量。這項任務是在全球範圍內測量大氣中的二氧化碳排放量，這一測量不受季節、緯度、晝/夜，以及空氣壓力和溫度的影響。該儀器可以作為獨立的任務飛行器，也可以作為更大的地球觀測站組成部分。

No2、CLARREO：氣候絕對輻射和折射觀測站，這項長期任務將會監測地球的各種輻射特性，包括反射的太陽光，進而更好地了解和量化地球氣候及其變化特徵。這將成為歷史上最準確可信的氣候記錄，探路者任務將在2021年的時間框架內發射到國際空間站。

許多航天艙和獨立艙正與國際空間站對接，還有許多太空艙正在等待安裝。讓國際空間站脫離軌道，無異於摧毀了我們在地球上觀測地球的最佳地點。圖片：NASA

No3、生態應激（ECOSTRESS）：在空間站上進行的生態系統星載熱輻射計實驗，植物在有利的條件下正常生長需要多少水？當植物感到壓力的時候呢？生態應激儀將測量植物的溫度、需水量，以及植物如何應對環境壓力。這將會是農業/糧食安全所需的信息。

No4、GEDI：全球生態系統動態調查，從太空測量地球表面發生的事情是很好的，但更好的辦法是了解地表和生物圈的三維結構，這就是GEDI正在研究的。高解析度激光測距系統可以精確測量森林的高度、垂直結構和表面海拔，並提供關於碳和水循環的重要知識。GEDI將為森林管理、水資源、天氣預報等方面重大挑戰提供所需的「3D結構」。

No5、GRACE-FO：5月19日發射GRACE衛星的後續行動，它的任務是跟蹤冰蓋、冰川、湖泊和河流、海平面和地下水儲存的變化。如果能跟蹤到地球的水運動，更好地理解和量化在全球範圍內的水循環就成為可能。這會讓地球上的所有人類都受益。

No6、ICESat-2：冰、雲和地面高程衛星2，這顆衛星每秒可以發射10000次激光，一次釋放大約20萬億光子。每一次脈衝，大約有12個光子返回到衛星；這就足以測量冰原、冰川、海冰的海拔高度，並達到前所未有的精確度。冰凍圈是地球上的冰凍地區，也是美國宇航局地球科學研究重點。

在環繞地球軌道上完成和有效利用JPSS天文台是一項傑作。圖片：NASA / NOAA

No7、JPSS-2：聯合極地衛星系統，它每天在其靈活的極地軌道上覆蓋整個地球兩次，從而獲得全球天氣和氣候現象信息。這對於減災來說是最重要的一種手段，例如：如果我們在2005年運行了這個系統，就可以提前對卡特麗娜颶風做出的預測。現今運行的JPSS-1是人類有史以來最偉大的氣象工具。其覆蓋率依賴於後續的JPSS衛星持續發展和發射，大約每五年就會發射一個這樣的衛星。

No8、LATSAT-9：高質量全球陸地成像衛星是了解地球世界的最重要工具之一。自20世紀70年代初，Landsat計劃一直在提供這些圖像，而Landsat 9作為美國可持續陸地成像計劃的一部分，將在2020年發射後，衛星將會繼續處於不可替代的位置。沒有這個計劃，將無法對土地的用途作出充分的決定。

No9、MetOp-C, POES的一部分：極地運行環境衛星，是ESA和NASA的合資項目，不久將推出的MetOp-B繼任者，其中包括由NASA/NOAA提供的五種儀器。儀器用途是測量反射的太陽能、輻射熱能、地球輻射帶強度、海洋表面溫度、大氣臭氧、雲層高度和覆蓋範圍，以及大氣層的水蒸氣剖面等等。這將是其系列中的第三顆衛星（A和B之後），目的是為了維持已有的覆蓋率。

No10、NAAMES：北大西洋氣溶膠和海洋生態系統研究。是什麼控制著海洋的運行？海洋如何影響大氣氣溶膠、短壽命物質、雲和氣候？船舶、飛機、衛星和原位海洋感測器可以幫助回答這些問題。NAAMES可以幫助人類更好地了解如何管理海洋，如何評估和預測生態系統的變化。

在NASA和印度空間研究組織的合資項目中，NISAR衛星將測量一組關於地球特性的數據，讓我們能夠認知甚至預測自然和人為災難的發生。圖片：NASA / ISRO

No11、NISAR：美國國家航空航天局和印度太空總署(ISRO)的合作項目，通過測量地表的變形程度，從而預測地震、火山爆發和滑坡發生的可能性，它同時監測地下水和封存的二氧化碳，並確定地球非人類生物量對全球碳排放的估算。

No12、OCO-3：美國宇航局軌道碳觀測衛星3號，如何用精確的在覆蓋範圍內測量大氣中的二氧化碳，以觀察二氧化碳水平在一年內時間和空間上變化情況？三個高解析度的光柵光譜儀，將在空間上測量收集大氣中二氧化碳，並且被安裝在國際空間站的日本實驗裝置(jemef)上。它將使我們能夠將基於空間的測量結果與現有地面和機載儀器結果進行比較。當涉及到二氧化碳時，正確的處理方法是至關重要的。

No13、OMG：格陵蘭島海洋融化的使命，冰蓋不僅僅是從表層開始融化，底部也會融化。OMG的任務是通過測量格陵蘭島冰蓋融化的程度來估計海平面的上升程度，格陵蘭島周圍大陸架的水溫變化將首次被測量。它將改善對關鍵區域海底形狀和深度的測量。

這個信息圖表描繪了美國宇航局觀測到雲層上的氣溶膠上及其相互作用。Oracle的總體科學目標是了解雲和煙霧相互作用的程度以及煙霧粒子作為雲滴原子核的程度。為了實現這一目標，研究飛機將測量煙霧和雲層，衛星將對煙霧和雲層進行廣泛的衛星測繪。圖片：NASA

No14、ORACLES：觀察雲層之上的氣溶膠和它們之間的相互作用。ORACLES可以說是有史以來最糟糕的首字母縮寫詞，但它是衡量人類污染的重要組成部分：特別是非洲地區的燃燒生物量。這些從燃燒生物質中產生的氣溶膠將會在大西洋的雲蓋上運輸和積累。氣候模型中氣溶膠雲相互作用過程是全球最不確定的。

No15、PACE：浮游生物，氣溶膠，雲，衛星海洋生態系統，總體的科學目標是更好地了解海洋和大氣交換二氧化碳的方式，同時也將揭示氣溶膠是如何促進海洋表層浮游植物的生長。此外，它還將確定藻類繁殖範圍和持續時間，並繪製出各種類型海洋葉綠素的分布圖。隨著美國宇航局觀測程度加深，它有望更好地了解地球生物圈和氣候的關鍵組成部分。

No16、SWOT：地表水和海洋地形衛星，是由美國、法國、英國和加拿大合資項目，將覆蓋全球河流、湖泊、水庫以及海洋獲取重要信息。全覆蓋一次需要11天，這標誌著第一次從太空角度對地球淡水進行全面地的監測。它將於2021年發射，並將把海洋圖像的解析度提高到目前最好衛星解析度的10倍。

No17、TEMPO：監測對流層的污染排放，將於2019年地球同步通信衛星上發射。TEMPO將在每小時和高空間解析度下測量整個北美的污染情況。它的任務是收集有關臭氧、二氧化氮和其他污染物的信息，所有這些都以改善空氣質量預報為目標，並且將達到前所未有的水平。

這是由一組相同的3個立方體衛星提供探測和輻射測量圖像。3個立方體衛星大約每30分鐘變換一次位置掃描。圖片：NASA / MIT Lincoln Laboratory

No18、TROPICS：分辨降水結構和風暴強度觀測，地球上熱帶高緯度地區是破壞性風暴的形成地，TROPICS需要有時間來分辨觀測告訴我們在整個風暴生命周期中熱量和水流是如何流動的。在近地軌道上，將會有3個立方體衛星每兩秒鐘掃描一次衛星軌道，監測氧氣、水汽、降水和雲冰。研究人員希望能夠以非常低的成本提高解析度、覆蓋率和可靠性。

No19、TSIS-1：NASA總光譜和光譜太陽輻照感測器，「TSIS-1」是用來測量太陽輻射和光譜(在不同波長)太陽輻照度的總和。它將取代2003年SORCE飛船上老舊過時的儀器(TIM)。NASA公布了一份長達40年的全太陽輻照度數據記錄，預計今年晚些時候TSIS-1將在國際空間站上飛行。

正確校準衛星數據，以及最近2016年的溫度數據，表明了氣候預測和觀測結果是完全一致的。但是，更優越精確數據總是受歡迎的，因為數據在我們的認知中起到了很大的推動作用。圖片：HadCRUT4.5, Cowtan & Way, NASA GISTEMP, NOAA GlobalTemp, BEST, via Ed Hawkins at Climate Lab Book

適應一個不斷變化的世界，關鍵是利用最好的工具和信息。這意味著要關注人為因素和自然因素對地球的影響，並利用現有的最佳數據來促使我們做出正確的應對策略。這19個未來的任務代表了美國宇航局地球科學短期和中期目標，每一個任務目前都在不斷前進，只要未來沒有意外發生，這些任務將一直持續下去。

世界地球日，不只是為了紀念地球，也提醒人類不要忽略了它。記住我們正在做的事情，了解我們的世界，以及為什麼它是有價值的。這個星球是唯一的，我們要成為它的守護者。如果沒有質量的科學信息來做出正確的決策，從全球的角度來看，人類只不過是動物而已，何談高等智慧生命？

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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