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利用无人机对北极气候进行测量和预测海冰融化速度

2020-11-18
来源:电子发烧友

  科学家RobertaPirazzini设立了一只北极探险队,要做一件以前从未有人尝试过的事情,在北极飞一架无人机。无人机上的传感器将评估从冰层反射的阳光。这项测量被称为地表反照率,是了解地球吸收了多少太阳辐射,又有多少反射回大气的关键。这是科学难题之一,可用于帮助预测海冰融化的速度。

  但是在地球最北端飞无人机并不是一件简单的事。技术人员为此专门设计了用于应对极端天气一套精密导航系统。研究所还对科学家们进行了为期数月的无人机飞行培训。培训结束后,科学家们踏上了史上最大规模的北极考察,他们将乘坐破冰船Polarstern号,执行为期一年的任务。来自20个国家的数百名研究人员为了MOSAiC任务轮流在Polarstern上工作,MOSAiC任务是研究北极气候的多学科漂流观测站的首字母缩写。它由德国AlfredWegener极地和海洋研究所领导,是近代史上第一支接近北极度过一个完整冬季的探险队。

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  这项任务的预算超过1.4亿欧元(1.65亿美元),将在海上航行389天。研究人员还携带了一架更小的练习无人机,可以在他们的小船舱里飞行,这是为了让他们在最后踏上冰面之前的几周航行中保持熟练的技能。

  芬兰气象研究所的科学家RobertaPirazzini和Henna-ReettaHannula在北极操作无人机很快,科学家Pirazzini遇到了困扰北极探险者两个世纪以来的两大问题,危险的航行条件和设备在极寒条件下的操作运行。无人机和直升机等在北极附近,受极端的高纬度地区影响,会发生定位不准的现象。越接近北极,导航就越混乱。而本次北极考察中无人机会比以往任何时候都更接近北极。早些时候,另一架无人机遭遇了导航困境。无人机从船上起飞,向完全失控的方向飞去,随后坠毁。Pirazzini非常害怕她的反照率测量无人机也会遇到这个情况。她的担心在她踏上冰面时得到了证实。无人机上的导航系统无法工作,这意味着她和她的同事需要手动计算距离,方向,高度和风速。“极寒的恶劣环境是我们的主要敌人,不仅是无人机旋翼叶片上有冰,我们手指上也有冰。而操控无人机需要非常精细的小动作。当你的手结冰时,你会失去敏感度,你的手指就再也无法进行精密操作了。”Pirazzini说。

  雾会在无人机的叶片周围变成冰。超过每小时8米的阵风常常使无人机搁浅。尽管如此,两位科学家还是设法在三周内进行了18次飞行。49岁的Pirazzini和33岁的Hannula采集到的反照率测量数据将被进行分析,用于研究变暖的气温对北极的影响。

  地球北部冰盖的升温速度是地球其他地区的三倍,极大的破坏了脆弱的生态系统。北极海冰在9月份降至有记录以来的第二低水平,仅次于2012年。今年上半年,西伯利亚北极地区遭遇了史无前例的热浪,异常温暖的气候使得冰层更难重新形成。北极海冰目前处于自1979年开始卫星监测以来每年这个时候的最低水平,比历史平均水平低37%。欧洲哥白尼气候变化服务中心副主任SamanthaBurgess说:“2012年的这个时候,冰层已经开始重新变厚。这个季度还没有结束,也许现在说会造成什么影响还为时尚早,但很可能会影响海洋食物网。”

  早在八月份Pirazzini的前往北极进行无人机数据收集时,北极的海冰已经降至当月有记录以来的最低水平。这些低得吓人的冰层使得Polarstern号仅用六天时间就能从挪威的弗拉姆海峡到达北极。Pirazzini说:“到处都是开阔的水域,去那里很容易。但如果你想想北极的未来,这就不妙了。这是一个非常脆弱的环境。”

  8月17号,北极星在前往北极的途中遇到了低冰层。随着冰层的缩小,测量反照率变得更加重要。北极冰的白色表面将太阳辐射反射回大气,而海洋的蓝色表面则将其吸收。然而,并不是所有的冰都具有同样的反射性,科学家们正试图弄清楚,随着温度的升高融化扩散在浅水中的冰,能够吸收多少太阳辐射。虽然海冰面积可以通过卫星进行监测,但对于了解融化速度至关重要的其他测量结果只能在更靠近地面的地方获取。这种更细粒度的数据对于确定气候变化的其他驱动因素至关重要,例如热量如何通过冰传递到大气和水中。

  按照以往的经验,科学家们用飞机和直升机获取反照率读数。但无人机在价格上更有优势,且可以在更恶劣的天气条件下飞行,甚至可以在低云下飞行。Pirazzini的飞行高度在冰面上5到30米之间。“无人机技术每个月,每年都在进步,”她说。“我们正处于这项业务的起步阶段,我相信它将会扩张,因为这些测量都是必须的。”


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