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给飞机穿越火山灰柱设计线路需要几步?

发布日期:2018-05-25访问次数: 字号:[ ]


专家顾问:国家卫星气象中心遥感应用服务中心副研究员 朱琳

采访人:中国气象报记者 卢健

  2010年4月,冰岛南部的艾雅法拉火山一个月来第二次喷发,释放的火山灰升向空中数英里。大风还将羽状火山灰吹往东南方向,波及英国、斯堪的纳维亚半岛等地。

  冰岛部分乡村地区笼罩于厚厚的火山灰云中,与此同时,肉眼看不到的大片羽状细沙飘到欧洲全境……这大概是过去十几年中,令人印象最为深刻的一次火山爆发了。2010年,冰岛南部一座火山爆发,大量火山灰喷涌而出。其中无数的热矿物颗粒,不仅会将飞机前风挡磨得毫无透视性,而且还会进入飞机的发动机,造成致命的威胁。数天之中,欧洲部分地区的空中交通几乎瘫痪。

  就在这一次,人们意识到,火山喷发对现代航空业带来的经济损失是巨大的:冰岛火山喷发后的一周,10万架次的航班取消,造成全球航空业损失17亿美元;在火山灰污染最严重的三天内,每日损失达到4亿美元。

  不过,也就是在这一次,美国国家海洋和大气管理局一位叫Michael Pavolonis的博士站了出来,他向当地航空和气象部门提供了准确的火山灰云高度、浓度及演变范围等信息,使航空部门在大面积飞机停运的基础上开放了部分安全的航线,挽回了不少经济损失。

  在四处弥漫的火山灰云中穿行,这样壮观的场景就诞生在一位科学家的手中,一下子从大片中走入到了现实。那么,这是怎么做到的呢?

  第一步:你需要知道怎样描摹出火山灰云外形

  当火山喷发时,升到空中的火山灰云里,包括矿物颗粒,也包括很多气体,大部分是水汽,还有二氧化硫等酸性气体。

  不过我们已经知道了,让飞机“步履维艰”的是火山灰云中那些又硬又烫的小石头。所以想让飞机成功突围的第一步,就是知道火山灰云的范围、高度乃至浓度,进而成功避开它们。

  火山灰云在哪儿,有多大面积,明天会飘到哪里……这些信息获取后,就能在水平方向上给飞机设计一个“路径最短”的线路。

  而知道了火山灰云的高度,就能帮助飞机选择抬升或下降的最佳地点。许多火山爆发后产生的火山灰云高度都是以千米起步,比如今年5月印尼一火山喷发,浓烟上升到5500米的高度;5月俄罗斯卡雷姆斯基火山喷出高度3000米的火山灰柱;4月,日本新燃岳火山大规模爆炸性喷发,喷出火山烟尘高达5000米;最强的还属5月夏威夷火山喷发所产生的高9100米的火山灰云……虽然大致来说,这些火山灰柱到达不了飞机平稳飞行的对流层顶,但它们会明显影响飞机的起降过程。

  第二步:你需要一颗配备“红外摄像头”的卫星

  难以想象,如果没有卫星,地面的人怎样“捕捉”到这些高度动辄几千米,面积广大且任性移动的火山灰云。

  如今,天上的卫星已有很多。而要完成这个把火山灰云识别出来的任务,并不是靠高清拍照技术。那些达到米级分辨率的卫星,多以牺牲时间分辨率为代价。要知道,困在机场的飞机和乘客,可都是以焦灼万分的心情在等候的。

  而一颗配置有特定红外通道观测仪器的静止卫星则可以兼顾有效识别能力和高观测频次。

  当火山灰云遇上气象云时,用可见光通道的仪器,或者说以人眼来看,是不容易把两者分开的。而红外通道仪器却可以把火山灰云从气象云中筛选出来。因为卫星传感器中特定的红外通道对火山灰云中的酸性矿物颗粒非常敏感,当用多个红外通道扫视大气时,能够一下子找出火山灰云。

  举个例子,当我们选取中国新一代静止气象卫星“风云四号”承担这个任务时,可以先用8.5um、10.3um等红外通道把火山灰云检测出来,再进一步用10.3um到12.5um,以及13.5um通道的红外通道进行定量反演,计算出火山灰云具体高度和浓度等信息。

  第三步:剩下就是最难的列方程、解方程了

  好了,我们已经有了一颗卫星。如果某地有火山爆发,用它那个对火山灰云“有反应”的通道获取了一组“辐射亮度”数据。那么,请问火山灰云具体有多大面积,高度和浓度是多少呢?

  不得不说,这种问法像极了某道上学时常常困扰我们的应用题。

  是的。不过这一次,是科学家们在解这道应用题。他们要做的是,先通过大量的物理模拟实验,为辐射亮度(y)和火山灰云参数(x)之间建立一个方程,然后就是在关键时刻把获取的y数据代入方程,求解出x,即航空部门极为关注的火山灰云的高度、粒子半径和柱浓度(地面单位面积里整个火山灰柱的浓度)。

  还需要了解的是,因为静止卫星距离地球有3万6千公里之遥,所以目前其所搭载红外通道观测仪器的分辨率都是公里级的,再加上1公里左右的观测误差,使得火山喷发需达到一定强度才能够被较为准确地识别出来。






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