互动科普

“奋进号”航天飞机上装载的雷达系统为了解地球环境提供了一种新的前景。

1994年9月30日，星期五，“奋进号”航天飞机发射升空后不久，机组人员就看到了一幅壮观的景象。俄罗斯堪察加地区的克利尤切夫斯科（Kliuchevskoi）火山正在喷发，羽状的火山灰被喷射到65,000英尺的高空。该火山在沉寂了49年后，恰巧选择在这一天又一次喷发。“奋进号”上装有一套用来研究地球的地质和环境的先进的雷达系统。在此之前，该系统只使用过一次，就是在1994年4月份的航行中。在下几圈的飞行中雷达操作人员迅速改变了进度，以便把火山那燃烧着的顶端拍摄下来。

在“奋进号”12天的航行中，这座火山的喷发并不是恰巧出现的唯一自然现象。10月4日星期二，日本北海道附近发生了一场地震。几小时后，“奋进号”就能扫描海岸线，以观察来自海震的损坏程度。

诸如“奋进号”上的这种雷达系统发射的波长相当长的辐射（变化范围从几厘米到几十厘米）能够记录下由地表返回的回波。通过与原来的和反射回来的辐射线进行比较，研究人员就能知道该反射物的距离、大小、方位、粗糙度和其他特征。例如，一个物体能反射与其自身大小相等的雷达波长。如果将一物体表面定向使其能像镜子那样反射，它就能把雷达波直接反射回雷达源，那么它看上去就是明亮的。如果将物体表面以某个角度定向，它看上去就是黑的。与波长尺寸大致相同的物体表面是把雷达波的辐射向各个方向散射，而不是将其反射回去。因此，利用波长较短的雷达探测耕地，其看上去就是亮的；而用波长较长的雷达探测耕地，看上去则是黑的。相反，在大多数波长下，森林看上去都是亮的。长的波长可以直接穿过飓风，而短的波长可以揭示出风暴体系核心部分的详情。

数年来，美国和欧洲的科学家精诚合作，建造了“奋进号”机载雷达系统。我们采用了3厘米、6厘米和24厘米三种波长。这三种波长被分别称为X波段、C波段和L波段。辐射的两种较长的波长是通过空载成像雷达C（SIR-C，拼作“sirsee”）发射出去的。国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的科学家们在加利福尼亚的帕萨迪纳研制出这套设备以及数据处理器，同时也是在帕萨迪纳进行信息检索和研究。

来自SIR-C的辐射是偏振的，因此它的电场不是在垂直方向振动，就是在水平方向振动。反射的辐射线可以以垂直偏振或水平偏振的方式被接收，这就为科学家提供了另一种鉴别法。例如，垂直树枝可反射一种比另一种更强的偏振光，这就使得研究人员可以区别不同种类的植物。

另一个雷达——X波段合成孔径雷达（X-SAR，读作“exsaar”）在3厘米的波长下工作，它只能发射和探测垂直偏振光。该雷达是由德国航天科学研究院和在德国的多涅尔的多家公司与意大利的Alenia Spazio公司共同为意大利和德国的太空机构研制的。

在4月和10月的航行中，“奋进号”的轨道与赤道的倾斜角为57度。“奋进号”在连续地绕其轨道飞行中稍有偏航（每圈花费90分钟），最终将地球的12%部分绘制成像。雷达瞄准由52个科学家小组挑选的几百个位点。

机组成员还试验了绘制精确地形图的一种新方法。辐射是以同相发射（就好像一台激光器）。回波的相位是通过两单独的天线或者由航天飞机两次稍有位移的绕地航行的方式测定的。在这两种情况下记录的相位差取决于被描绘的地形的距离。“奋进号”在四月和十月两次航行之间利用这种干涉测量法已揭示出加利福尼亚和夏威夷在地形上小到厘米的变化。

大部分数据直到航天飞机着陆后才被交到喷气推进实验室（JPL）。但机组人员也把部分图像直接传送到地面上的研究人员那里，一同发回的还有他们对正在观看的东西的评价。这些口头记录，连同宇航员们用胶片拍摄的20,000多幅照片——航天飞机航行任务的记录——对解释那些数据是非常宝贵的。由于这种口头记录所覆盖的地带要比雷达幅区宽阔得多，它提供了事物的来龙去脉。它已帮助解释诸如在亚马逊大雨期间拍摄的X波段和C波段图像上的阴影地带之类的异常现象。

“奋进号”于1994年10月11日在加利福尼亚爱徳华空军基地着陆，为了完成全部任务，它在太空中多呆了一天。它的航行展示出的有关太空的独特景观结合雷达的作用能让我们以一种前所未有的方式来探索我们自己居住的这颗行星的。从拍下的这些图像，我们希望能够了解到雷达波长和定位的哪种组合方式对将来的研究是最恰当的。在机上发射一颗卫星，这样一个雷达系统就能够成为一个了解地球上的森林、河流和气候的状况以及诸如地震、火山和洪水之类潜在危险的永久性信息源。

【郭敏/译   杨廷校】