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中国科学院院士、武汉大学校长窦贤康
对于空间天气研究和预报有重要意义的中高层大气风场探测一直以来都面临困境——无法使用探空气球或卫星进行探测 。 不过 ， 中国科学院院士、武汉大学校长窦贤康创新研发的量子激光雷达对此提供了有效解决方案 。
近日 ， 窦贤康在北京举行地“雁栖湖会议”上进行《量子探测技术在大气探测激光雷达中的应用》主题演讲 ， 就相关研究进行具体介绍 。
“雁栖湖会议”是中国科学院与北京市合作举办的高端国际学术交流活动 ， 至今已举办四届 。 今年会议以“量子科学与技术前沿”为主题 ， 聚焦量子科技领域的前沿重点问题 ， 前瞻探讨量子科技未来发展的战略目标、方向和任务 。
窦贤康长期从事中高层大气理论、观测与实验综合研究 ， 独立自主研制了系列激光雷达观测系统 ， 车载测风激光雷达系统填补了国内在该领域的空白 ， 技术水平达到国际领先水平；国际上首次研制成功基于单光子频率上转化技术的量子激光雷达；并基于在观测设备上的开拓性工作 ， 在中层顶区域大气动力学和光化学等领域的研究取得了系统性和创新性成果 。
过去 ， 中高层大气探测是比较大的难题
“空间物理研究的领域是太阳表面与地球表面之间的空间 。 ”窦贤康介绍道 ， 按照高度范围可分为中高层大气、热层和电离层、磁层、行星际空间 。 其中 ， 中高层大气（十几公里到一两百公里）是地球中性大气向空间等离子体过渡关键节点 。
日常生活我们遇到的雨、雪等天气现象都发生十公里以下大气中 ， 为对流层；十至五十公里的大气以水平流动为主 ， 为平流层；五十至九十公里的大气被称为中间层；九十公里高度以上是热层大气 。 平流层、中间层以及低热层大气构成了中高层大气的主要区域 。
为什么要研究中高层大气？窦贤康举出一个例子 ， “对流层大气的密度变化幅度相对较小 ， 虽然晴天雨天天气条件不同 ， 但大气密度变化幅度往往仅在1%左右 。 相比较而言 ， 中高层大气由于密度非常稀薄 ， 很容易受到太阳爆发事件等扰动的影响产生剧烈变化 。 卫星轨道会受到密度变化的影响 ， 如果无法准确观测和预测高空大气密度 ， 卫星轨道预测就会非常困难 。 ”
然而 ， 由于缺乏观测手段 ， 中高层大气的研究还不够充分 。 空间物理传统上主要关注电离层以上（高于一百公里） ， 大气科学主要聚焦平流层以下（低于三十公里） 。 在三十到一百公里高度的中高层大气既无法利用卫星进行直接探测 ， 也无法使用探空气球进行探测 。
“对于对流层高度大气 ， 我们可以使用气象雷达和探空气球来探测 。 在更高高度（热层和电离层、磁层、行星际等） ， 我们可以使用卫星探测 。 但是 ， 三十公里到一百公里高度的中高层大气 ， 主要以大气分子为主 ， 散射物很少 ， 是探空气球上不去、卫星观测下不来的探测盲区 。 ”窦贤康指出 ， 虽然发射携带探测仪器的探空火箭可以探测这部分空间 ， 但探空火箭是单次测量 ， 且探测成本高昂 ， 无法做到长期观测 。 因此 ， 探测中高层大气需要创新观测手段 。
激光雷达是中高层大气探测的主要手段
激光雷达是中高层大气探测的主要手段 ， 能够覆盖从近地面到一百公里的中高层大气 。 雷达利用目标对电磁波的散射过程来发现目标并获得其特征信息 。 三十公里到一百公里高度中高层大气的主体是纯净的大气分子 ， 其尺度与激光波长相当 ， 可以用激光与大气分子的相互作用对中高层大气进行探测 。