發布日期： 2020-04-09-2021-04-09
【Environement系列】
對抗氣候變遷 光學檢測打頭陣
光電協進會
光學科學家正在對冰、水、氣體，以及生物圈進行遍布全球的測量，以評估地球的健康狀況。為此，美國NASA先後發射了ICESat與ICESat-2兩顆衛星進行光學掃描與量測，而在兩顆衛星運行之間的空檔，則是實施IceBridge計畫，利用飛機上的光達來探勘極地地區。攜帶輕便型光達與雷達儀器的飛機主要飛越阿拉斯加、格陵蘭與加拿大北部幾座位於北極圈的島嶼，以及南極西部冰原，藉以測量冰層高度。美國科學家安排了一些與歐洲太空總署(ESA) CryoSat-2衛星通過軌道的同步飛行，以驗證歐洲衛星的雷達數據。
除了CryoSat-2衛星的歐洲高度測量任務外，ESA也發射了Aeolus太空船，利用紫外線雷射測量地球的風速。雖然氣體分子和氣溶膠反射的總光量要比固體要少很多，但是它們在較短的波長下卻能更有效地反射。Aeolus攜帶60兆焦耳、三倍頻的355 nm Nd：YAG雷射發射光束，並藉由高度敏感的Mie與Rayleigh背向散射接收器以及一個1.5米孔徑的望遠鏡接收反射光。Aeolus預料將擔任未來氣象風速光達的技術示範平台。
科學家通常喜歡將使用衛星收集到的數據與利用其他方式收集的資訊加以比較。為了搭配Aeolus並進行資料比對，美國NASA另外也設計了兩種空中飛行任務：高海拔光達天文台(HALO)與多普勒氣溶膠光達(DAWN)，根據NASA指出，DAWN由NASA位於維吉尼亞州的蘭利研究中心研發，利用雷射脈衝對向量風速和風向進行高度精確的測量，以配合Aeolus進行的全球風速測量。研究人員認為來自衛星的資料將有助於提高天氣預報的準確性。
另一方面，HALO於2019年4月開始飛行，以替代已經服務25年機載光達系統，提供更輕便、更強大的替代方案，HALO所搭載的新型儀器的大小為迷你冰箱，既包含高光譜解析度的光達，又包含差分吸收光達(DIAL)，模組化的HALO套件可以輕鬆地重新配置以研究甲烷，水蒸氣或顆粒物。
珊瑚礁的高光譜影像
珊瑚礁是一個巨大的水下生態系統，圍繞著微小的海洋珊瑚的堅硬骨架，支撐著超過一百萬種海洋生物。健康的珊瑚礁充當天然的沿海風暴屏障，為漁業和旅遊業提供工作，甚至可能為尚未發現的藥物提供原料，因此有些人把珊瑚礁稱為「海洋雨林」。當珊瑚礁中的單個珊瑚生物由於某種原因而受到壓力時（通常是由於周圍水溫升高），它們會排出光合藻類而開始白化，由於氣候快速變遷，對珊瑚礁構成了嚴重威脅。
研究珊瑚礁健康狀況的通常方法是讓潛水員深入珊瑚礁，近距離觀察它們。但是，這樣相當耗費人力，因此海洋科學家想到了方法，並獲得了NASA的資助，他們將高光譜成像系統，又稱為可攜式遠程成像光譜儀(PRISM)裝置在噴射客機上，並使其飛越澳洲大堡礁、夏威夷、佛羅里達、馬里亞納群島，以及帛琉，以取得龐大的數據。
圖說：PRISM的工作原理，每個像素都有一個連續的光譜，用於分析大氣、水，以及礁石。
資料來源：NASA網頁翻攝
搭載PRISM的飛機在大約8500 m的高度飛行，每像素的解析度為10 m。PRISM在350至1050 nm的整個光譜範圍內執行地毯式掃描，具有3 nm的光譜採樣和30度視角。為了進行準確的大氣和海洋顏色校正，該儀器包括一個工作在1240和1640 nm的兩通道點輻射計。
光電協進會指出雖然飛機於上空拍攝僅能提供快照，需要與其他資訊（例如衛星的海面溫度數據和全球水化學性質）取得關聯。不過透過在不同年份的快照，還有進行不同地區的掃描，都有助於了解過去幾個珊瑚礁的變化。由於全球的科學家不斷地開發先進的技術進行各項有關地球環境的研究，這不僅能夠針對氣候變遷做出最佳的因應措施，而這些先進的技術也會逐漸下放至一般民生用途，像是自駕車、生醫感測等領域，也都能雨露均霑。
