2015-11-08 08:18:56

36.火星气象多梦想　观测云天谱新篇

张正义、席自然乘坐的飞船仍在太空高速飞行，飞船收到了来自火星的电波，船舱内响起了火星的录音，舱内所有的人无比激动。张正义高兴地说：“这说明他们已经安全抵达火星，谢天谢地！”

“我太兴奋了！我亲爱的伊琳娜，等着我，很快我就会见到你了！”席自然激动地说。

“我听到了爸爸的声音，他们见到了爸爸。爸爸一定看到了我的照片，读了我的信，一定穿上了我织的毛衣，也一定很想见到我。爸爸，春娅很想您！”华春娅流着眼泪说。

郝宝儿抱着妈妈的脖子高兴地说：“妈妈，我听到了爸爸的声音，妈妈没有骗宝儿，爸爸真的在火星上。妈妈，您听到爸爸的声音了吗？”

“听到了！听到了！乖儿子，咱们很快就可以见到爸爸了。”沙芳菱抱着儿子激动地说。

“还是春娅聪明！人没有到达火星，信息却先期到达了，华教授一定高兴得睡不着觉。”唐瑛雅说。

“他们不知道咱们已经在去火星的太空，如果知道了，一定会激动不已。”宋培达说。

“不知道如平姐姐在不在火星上，如果黎明哥哥在火星上找不到如平姐姐，会更伤心的。”华春娅说。

“如平离开地球，一定是去了火星，否则能去哪里？黎明一定能找到如平！”沙芳菱坚定地说。

“嫂子，这可不一定。宇宙星空无边无际，不可能只有地球和火星才有生物，一定存在别的星球，上面也会有智慧生物，很可能比人类更智慧，科学技术比人类更先进。”张正义接话。

“兄弟，即便是有这样的地方，咱们的宇宙飞船能飞到吗？你不是说宇宙中光速不变，最快也只有光速，那些星球距离咱们数万、数亿光年，咱们地球上的人怎么也不可能到达。” 沙芳菱不相信。

“嫂子，宇宙之大，无奇不有，不知道、不认识、未听说、未见到，不等于宇宙中不存在。地球人类做不到的事情，地外人不一定做不到，否则地外那些飞行器是如何到了地球的？大哥不是因为起吊那些庞然大物而获罪？天外有天，人外有人，如平说不定就在那些星球上。”张正义解释说。

“地外真的有外星人？你大哥吊起的真是地外飞行器？直到今天我都不相信。”沙芳菱依然怀疑。

“要是如平姐姐不在火星上，这可怎么办啊？黎明哥哥会陷入无比的痛苦之中，这可怎么办啊？”华春娅十分发愁。

“春娅妹妹，你不是说过天塌下来也不要哭吗？黎明是一个男子汉，不用替他忧愁，我相信最终定能找到如平！”席自然接话。

飞船穿行在万里长空，船舱内都在议论着卫黎明和林如平这对恋人。抵达火星的卫黎明除了对林如平的思念，他还想干一番事业，开始谋划在火星上的未来，他首先想到的是在大棚附近选一片平地，就用飞船上的气象仪器，建一个火星气象观测场，尽快开展火星天气预报，尽早积累火星气候资料。卫黎明将设想告诉了华奋强、迪兰等前辈，得到了他们的大力支持。迪兰说：“太重要了，这是基础性的工作，未来的火星不可或缺，我们要开发火星，发展农、林、牧、渔各业，没有这个是不行的！我们还要开发能源、建设工业、发展经济、科技腾飞，没有这些基础数据如何起步？我们还要预知火星天气、气候变化，进行环境保护，维护生态平衡，实现呼风唤雨，没有这样的基础建设，一切都只能是空中楼阁！我们还要发展航空、航天，这样的建设是必须的！”

“说得很对！自从地球上人猿相揖别，华夏黄河流域留下了上古先民前赴后继、寻求与大自然和谐的足迹。上古先民从无意识地看花开花谢，到由蛇的冬眠春醒知道了大自然一年的冷暖变化，从冬夏两季的认知，到一年四季的确立，从河图、洛书到八卦的问世，人类为了生存和繁衍，懂得了需要与大自然求得和谐共存。从渔猎、农牧，到农业文明的形成，直到进入农耕文明，由于生产、生活的需要，黄河流域先民最终成了有意识地观天候气，他们起始是关注大地的花开花谢、候鸟迁飞等物候现象，继而是关注日月星空，从而萌生了治历明时的思想意识。为了治历明时、观天候气，华夏黄帝时期便建有合宫，颛顼时期改叫玄宫，尧舜时又称总章。南北朝时的南朝称为灵台，唐乾元元年始称司天台，明朝称观象台。进入新的时代，观象台分成了天文台和气象台。”华奋强接话。

“人类最初接触到、感受到需要认识的主要是自然界里的风云变幻，远古的天文学实际上包括天文与气象两门科学，古代天文、气象没有分家，许多科学包括气象学、天文学、农学、地学乃至数学等自然科学是从最原始的气象学和天文学开始发生和发展起来的。”哈罗接着说。

“人类生活在地球大气中，大气里的风云变幻，时刻都影响着人类的生产、生活，影响着人们的科学文化活动，以至政治、军事、宗教等一切活动，人类古往今来的历史，从某种意义上说，就是人类与大自然长期求得和谐的观天候气历史。观天候气主要是研究寒来暑往、雨雪阴晴、风云雷电这些属于气候和天气变化的科学问题，研究的对象主要是包围着地球的大气层。观天候气的历史久远，伴随着人类的诞生而诞生，成为人类最原始的天文与气象科学。我们来到火星，也应当从观天候气、治历明时起步。”卡莱波也说了支持的观点。

“我们应当从天文和气象观测起步。华夏黄河流域自远古到农耕文明时期，莫不是从无意识地认知自然，到有意识地认知地面的花、鸟、鱼、虫，然后认知日月星空，由结绳记事进入刻锲记事，再到创造文字。黄河流域智慧先民治历明时思想的产生，经历了数千年的实践探索，到了夏代算是有了对于物候、气候和节气形成的系统学问，之后又经历了夏、商、周、秦、汉，气象科学逐渐得以发展。直到公元前104年，西汉武帝太初元年的《太初历》正式把二十四节气纳入历法，二十四节气也就基本定型，黄河流域的古代气象科学也就达到了人类历史上的第一个高峰。”华奋强继续说。

“人类古文明无不涉及气候变化，古埃及文明、巴比伦文明、印度河文明、玛雅文明都是典型的农耕文明，由于他们未能适应气候变化而相继消亡，历史尘埃把他们埋入远古的岁月，华夏古国楼兰也被葬入漫漫沙漠之中。地球上几大农耕文明之中，独有华夏古文明得以延续和发展，其秘诀就在于认识自然，与自然求的和谐共存。”迪兰接话说。

“叔叔们说得真好！火星上也需要划分季节，创立节气，但这需要认识火星自然，找出火星天气、气象和气候的变化规律，而这一切都要在观测的基础上才能进行。地球早已进入了大数据时代，而火星上还没有观测数据，建设火星气象观测场刻不容缓，时不我待！先建起来再说，以后逐步完善，逐渐丰富，我们还需要建起农业气象试验场，高空气象探测站，还要建海洋气象观测站，建各种专业的气象观测设施，任重而道远，需要脚踏实地，一步一个脚印地前行！天文与气象科学最古老，但又保持着青春的活力和朝气，从它的萌芽一直发展到今天，单就气象科学而言，己由最初的气候学、物候学、天气学，发展为具有众多分支学科的大气科学体系，成为一门古老而又年轻的科学。气象连着千家万户，涉及各行各业，关乎国计民生，是一项重要的基础性公益事业，与经济社会发展息息相关，与人民群众生产生活密不可分。气象科学不仅渗入到人们物质生产、生活各领域，而且广泛渗入到其他自然科学、哲学、社会科学、文化艺术等领域。随着时代的发展和社会的进步，气象显得越来越重要。火星的将来也会像地球一样，火星气象会显得越来越重要。”卫黎明说。

“孩子，你说的很对！你的眼光比叔叔们远大，叔叔们坚决支持你，放手干吧！就让郝远望当你的助手，紫燕如果感兴趣，也暂时跟着你，我们再给你加派几个人手，你需要先办一个短期培训班，教会他们如何观测。”华奋强说。迪兰、哈罗、卡莱波同时竖起来大拇指，微笑着向卫黎明点头。

培训班开始那天，郝远望、李紫燕首先到场，原大棚里搞实验的也有几人到场，领头的叫欧恩，还有卡勒波、茱莉亚等，同一个飞船上的安德烈、普尔曼、玛丽娜、伊琳娜、詹鲲鹏、夏华龙、郑豫梦也都到场。伊琳娜不高兴地说：“卫黎明，真不够意思！你开培训班怎么不通知我们？我们爱自己的专业，但也热爱气象事业，你想干大事，怎么不让我们参加？我们要亲手建起来火星上第一个气象观测场，这可是彪炳火星史册的大事！”

“对！我们都要参加！”安德烈大声说。

“对不起大家！没想到大家热情都这么高，大家都参加，同心协力把火星气象观测场建起来，尽快记录火星的气象要素。以后咱们还要建农业气象试验场、高空气象探测站、海洋气象观测站，建各种专业的气象观测设施和场所，为火星积累气象资料，为预测火星天气做准备，为将来的火星呼风唤雨而努力！”卫黎明大声说，大家热烈鼓掌。卫黎明接着说：“我们所要建的是地面气象观测场，高空气象探测因没有设备，目前还无办法建设。地面气象观测场是获取火星地面气象资料的主要场所，地点应设在能较好地反映本区域较大范围的气象要素特点的地方，避免局部地形的影响。观测场四周必须空旷平坦，不能建在陡坡、洼地，还要考虑到就要崛起的城市，以及将要建设的铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方，尽量拉开距离，地面气象观测场四周障碍物的影子不能投射到日照和辐射观测仪器的受光面上，要求附近没有反射阳光强的物体。避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。”

“这些条件很好满足，至于大气污染，从现在就要作出严格规定，制定出法律，对于破坏环境的决不姑息！”夏华龙插话。

“观测场应选择在城市或工矿区最多风向的上风方，这个需要考察，我们还没有第一手观测资料，还需要根据火星自转偏向力、所处纬度、大气环流进行分析。地面气象观测场的环境必须进行保护，周围观测环境发生变化时要进行详细记录，还需要测定四周各障碍物的方位角和高度角，绘制地平圈障碍物遮蔽图。”卫黎明接着讲。

“比我开吊车复杂，建一个观测场这么麻烦。”郝远望说。

“不复杂，但要科学。观测场一般为25米正方的平整场地，将来建设别的观测场时，确因条件限制，也可取东西向16米、南北向20米，高山、海岛、无人的观测场可不受此限。需要安装辐射仪器的观测场，可将南部向南扩展10米。还要测定观测场所在的经纬度和海拔高度，数据刻在观测场内固定标志上。观测场四周一般设置约1.2米高的稀疏围栏，围栏不宜采用反光太强的材料，观测场围栏的门一般开在北面，场地应平整，保持有均匀草层，草高不能超过20厘米。对草层的养护，不能对观测记录造成影响，场内不准种植作物。围栏问题目前不好满足，地面可以撒上带来的牧草种子。为保持观测场地自然状态，我们可以用石块在场内铺设0.3米至0.5米宽的小路，观测人员只准在小路上行走。有积雪时，除小路上的积雪可以清除外，应保护场地积雪的自然状态。根据场内仪器布设位置和线缆铺设需要，在小路下修建电缆沟，电缆沟应做到防水，很快火星上也会有各种动物，所以还要防鼠，便于维护。观测场内还要有防雷设施，我们可以借助风向杆综合考虑。”卫黎明继续讲解。

“我们就按照这个要求来建设，但气象仪器从何而来？”詹鲲鹏问。

“我们可以就地取材，从报废的宇宙飞船上拆卸，在观测场内布设仪器时，要注意互不影响，便于观测操作。一是高的仪器设施安置在北边，低的仪器设施安置在南边；二是各仪器设施东西排列成行，南北布设成列，相互间东西间隔不小于4米，南北间隔不小于3米，仪器距观测场边缘护栏不小于3米；三是仪器安置在紧靠东西向小路南面，观测员应从北面接近仪器；四是辐射观测仪器一般安装在观测场南面，观测仪器感应面不能受任何障碍物影响；五是辐射观测仪器、日照，以及风观测仪器也可安装在天空条件符合要求的平台上。目前，只能从飞船上得到温度计、湿度计、气压计、风向风速仪、日照计、太阳辐射仪等，我们可以自制一个百叶箱，通风透气，防止太阳直射，还可以自制雨量器、蒸发皿等，可以观测最高气温、最低气温、气温、地温、空气湿度、土壤湿度、雨量、雪量、蒸发量、冻土深度、日照时数、太阳辐射、风向、风速、气压、积冰、积雪、云量、云状、能见度、各种天气现象等，还可以把飞船上气象雷达拆下来加以利用，但高空气象观测没有条件。”卫黎明继续。

“我们可以利用飞船上的材料建个值班室。”李紫燕插话。

“好办法！观测值班室是安放室内观测仪器的场所和值班观测员的工作室，应建在观测场北边，拉开一定距离，保证观测员在值班室有较开阔的视野，能看见观测场的全貌，可随时监视观测场的情况和天气的变化。我们还需要解决电源问题，可以临时制造几个风力发电机，利用飞船上的太阳帆，搞太阳能发电，在值班室安装集中控制和分配供电电源的配电箱。要注意防雷，一定要安装避雷针。我们还需要开动脑筋，搞发明创造，譬如如何观测地表、水表、大气的潮汐现象？如何观测大气电荷？如何观测天体引力变化？此外还要增加物候观测，进行植物和作物观测，还要想办法尽早开始高空气象观测。除了观测场用地，我们还要把眼光放远一些，要考虑一部分地球人类来到火星以后，全球气象事业必然有一个大发展，火星应当建设气象总部，所以现在就把用地问题考虑进去。一旦城市发展，用地必然紧张，观测场环境也会受到威胁，那时候再迁址还需要平行观测，造成人为的数据不连续，势必影响气象数据的精准度。”卫黎明又讲。

“我们的任务很艰巨，需要大家努力工作，需要我们几个干什么，尽管安排！”欧恩开始表态。

“谢谢！只有积累起来气象资料、物候资料、有了农业生产数据，我们才可以进行季节划分，创立火星节气，制定火星历法。只有在气象观测的基础上，我们才能开始预报天气，预测气候变化，为各行各业提供服务。我们应当提出一个长远的目标，那就是最终实现火星上的呼风唤雨，精准知道未来天气、气候如何变化。为实现这一目标，在目前我们还不能自己制造气象仪器的情况下，需要自地球运来各种类型的新型气象仪器，如激光雷达、风廓线仪、微波辐射仪，以及各类遥测遥感仪器等，能够进行全方位、全要素的地面观测、高空探测、特种观测和遥感探测等。需要飞船带来气象卫星放置在火星的高空，在火星上建设卫星信息接收站。准确的天气预报依托于一系列气象观测资料，如果没有详细的观测资料，就不可能进行精准的天气预报。精准的天气预报依托于全球气象观测系统建设，把大气的全貌一点一滴地拼凑起来，只有单点和几个点的气象观测，只能是瞎子摸象，不能窥一斑而推测全豹，那样的天气预报不可能达到精准。”卫黎明仍在继续。

“气象观测如此重要啊！我以后就当一个气象观测员，啥也不想了！”郝远望说。

“大哥不是要植树造林吗？今天要改行吗？”李紫燕笑着说，郝远望也笑了笑。

“观测资料与气象要素真值存在不确定的误差。一是仪器误差，再精密的仪器都会有误差，测出的数值不会精确地等于真值；二是人为误差，仪器是由人来操作和观测的，观测人员不是一个人，每个人都会存在不一样的人为误差，即使同一个人，所测得的数据也不会精确地等于真值；三是环境造成的误差，气象观测环境的变化，也能会造成观测误差，或者频繁变更气象观测场地，这些都会引起观测数据的改变和失真，且误差也不再连续，所得到的观测数据也就更不准确。初始的气象观测资料错之毫厘，得出的天气预报和气候预测结果会差之千里，这就是所说的蝴蝶效应。所以，气象仪器的精度，观测人员的业务技能，观测环境的保护等，对于做出准确的天气预报、气候预测、专业服务等，显得十分重要，需要精益求精。”卫黎明继续。

“气象探空是怎么一回事，可否做个介绍？”郝远望问。

“地球的公元1927年，法国人布罗和伊德拉克发明了无线电探空仪，这种电子仪器被悬挂在氢气球下升入空中，一路上将测得的气象资料用无线电信号发回到地面接收站，开始了高空气象观测，使大气探测由地面扩展到三维空间。高空气象探测一般是用探空气球携带探空仪器升空进行，可测得不同高度的大气温度、湿度、气压，并以无线电信号发送回地面。利用地面的雷达系统跟踪探空仪的位移还可测得不同高度的风向、风速。当气象探空气球升到对流层顶，它的体积已经超过一个房间大小，而且气温已经远低于摄氏零度，气球的材质必须非常强韧，一般探空气球可以探测到离地面20千米到30多千米的高度。气象探空数据与地面观测数据的处理方式一样，要综合全球各地上千个探空观测点同一时间的观测资料，才能绘出高层大气的天气图。天气预报通常要绘出850百帕、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕、100百帕等压面的天气图，并还要视需要再绘出更多的天气分析图供气象预报使用。火星上将来的天气图需要绘制哪几个等压面，还要根据实际需要而定。”卫黎明回答。

“天气雷达又是怎么回事？”李紫燕问。

“天气雷达是利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收，为探测降水的空间分布和铅直结构，并以此为警戒跟踪降水系统的雷达。常用的波长大多在1厘米至10厘米范围，因10厘米波长的衰减小，用于探测台风、暴雨及冰雹较好，可探测几百千米范围内的天气系统。降水对雷达发射波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关，分析和判定降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。公元1842年，奥地利物理学家发现了多普勒效应，当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。多普勒天气雷达的工作原理以多普勒效应为基础，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。根据雷达方程和气象算法，多普勒天气雷达采用软件处理来控制雷达工作特性，对获得的基本天气数据进行分析处理，在用户端显示出气象目标的空间位置、强度等特征，从而生成并导出天气预报员可视的基本气象产品图。”卫黎明回答。

“请介绍一下气象卫星！”伊琳娜高声说。

“气象卫星就是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星。气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。气象卫星按轨道的不同分为太阳轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，称太阳同步轨道气象卫星；后者是与地球保持同步运行，相对地球是不动的，称作静止轨道气象卫星，又称地球同步轨道气象卫星。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息被广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。此外还有风廓线仪，是探测晴空大气中风随高度变化的一种雷达设备。还有闪电定位仪，主要用来探测云地闪，并且能区分正负极性。闪电可以分为包含云与云、云与空气、云内放电的云闪、云地闪、诱发闪电、球闪等多种，其中对地面设施危害最大的是云地闪电。云地闪电又可以细分为正电荷对地放电的正闪和负电荷对地放电的负闪。还有无人机，主要用于垂直或水平探测大气温压湿和风、远距离或多点探测大气温压湿和风、监测天气系统、大气化学探测或采样、云、雨滴探测、人工影响天气云的催化播撒、遥感等。”卫黎明概要介绍。

“云的人工观测分类不容易，对于我们来说更难，有没有自动化观测？”郑豫梦问。

“地球上200多年前已有自动化测云仪器，激光云高仪能够测量云高、云量，目前云的自动化观测，已经能够给云准确分型，利用大气的红外窗口特性，结合红外辐射传输模式，分析水汽、能见度、气溶胶、光学厚度等因子对大气向下红外辐射与云底高度的关系，反演云底高度，实现了云高、云量及云状的探测。能见度和各种天气现象在地球上也已经实现了自动化观测，建起了地面自动气象站，对地面气象数据进行实时采集、计算处理、数据存贮和显示、报文报表编制和组网通信的自动天气观测系统，用于气象台站自动化业务测报。”卫黎明回答。

经过短期培训，又进行了人员分工，有的去选址规划，有的去飞船上拆卸仪器和有用的材料，最后把气象观测场建在了大棚的西南方向，几间房子就地取材，用石块砌墙，泥巴填缝，房顶用飞船上拆卸的金属板，内力采用的飞船内的装饰膜贴墙，还砌起来石台、石桌、石凳，放置仪器、计算机和用于办公。观测场竖起来金属高杆，上面安装着风杯，最上面时避雷针。制作了简易的百叶箱，里面防止了温度计和湿度计。再往南是土制的雨量计和蒸发皿，安装了日照计和辐射计，还有还有地温、地表温、冻土、积冰等观测仪器，值班室安装了气压计。卫黎明亲自动手，制作了翻斗式自记雨量计、风力发电机等，值班室房顶还铺设里飞船上的太阳能帆板，借用了飞船能量设备，解决了观测场的用电问题。观测场内修了石板小路，直通观测室，观测场撒了草种，观测室门前至观测场，用石板铺了几个图案，还用不同草种撒出来几个“火星气象”大字。

经过紧张地工作，观测场终于建成，小草也长了出来，充满了生机，几个天坑也来了人庆贺取经，举行了庆典仪式，观测正式开始。