厄尔尼诺,这个小男孩真不简单(连载2)

TOPEX/Poseidon测高系统
图1 GPS卫星总是高高在上,位于地球10000公里以上。而一般的气象卫星不过几千公里的高度。为什么呢?因为如果要更好地观测地球,他们就要尽可能贴着地面,太远了分辨率自然就降低了,而且越靠近地球,飞得也越快,这样一天就能覆盖更多的范围。比如图上这颗卫星,距离地球1336km,每秒钟飞7km左右,约10天就可以把全球所有的海面覆盖一遍。当然,这颗卫星的轨道,也就是自己的高度,是由高高在上的几颗GPS卫星精确给定的。那为什么不让卫星飞得再低点呢?太低很容易掉下来啊,太低了被人拿竹竿子(或导弹)捅下来怎么办?(图片来源:NASA)

1973年,人类历史上第一颗测高卫星Skylab S-193(天空实验室)由美国发射升空,人类进入空间卫星测高的年代,但是卫星测高一开始的精度并不高,为什么呢?如果卫星连自己的高度都测不准,那又怎么精确地测地面的高度呢?

当然,人类要想办法解决这个问题。早在50年代,GPS(全球定位系统)就开始走进了科学家的视野。1989年2月4日,在经历很多颗试验卫星后,第一颗GPS卫星正式发射成功,随后,他们彻底改变人们对时间和空间的精度概念,改变了世界。

1992年,一颗名叫Topex/Poseidon的卫星由法国和美国联合发射成功,这颗卫星身负一个重要的使命,就是精确地测量海平面高度。在GPS卫星的协助下,这颗卫星的测量精度可以高达4-5cm,于是,从1992年开始,我们就有了全球海平面高度变化的精确资料(验潮站也有资料,但是验潮站通常位于海边,受到干扰多)。请看下面视频,为1992-2007年的海平面高程变化,红色的表示比多年平均值高,蓝色的表示比多年平均值低,这些资料不仅仅来自Topex/Poseidon,还包括2001年发射的Jason-1卫星测高资料。

测量海面高度的基本原理就是,卫星向地面发射电磁波,然后接收地面(或海面)对电磁波的反射波,根据距离=光速×时间,就可以求出卫星距离地面的高度了,而卫星自己的轨道高度可以由GPS卫星精确给出,相减就可以得到地面的高度。(见图1)

1997年11月,正当秘鲁的渔民又开始为反常的气候烦恼不已的时候。科学家在这颗卫星身上发现了有意思的东西:卫星记录的太平洋赤道两端的海水高度和往年大不相同(请你再回头观看视频,注意1997年的时候)!这立刻引起了科学家极大的注意:是什么原因引起海水的高度差呢?这和秘鲁渔民所称呼的"厄尔尼诺"有什么关系呢?

真相终于大白了!

这种海平面高度差异就是厄尔尼诺这个小男孩"兴风作浪"引起的,小小男孩真不简单!

从1997年开始,厄尔尼诺,这个小男孩开始正式进入新闻社交界。但是,小男孩的脾气实在让科学家摸不着头脑,至今人类还不知道这个小男孩是谁生的。更要命的是,小男孩的身世还没弄清楚,又来了一位神秘的小女孩!

没发生厄尔尼诺时的太平洋赤道地区

没发生厄尔尼诺的太平洋赤道地区
图2 3 正常时(上图),赤道一带吹东信风,在风里作用下,太平洋赤道西面的海平面要比东面高,气候也更多雨湿润!但是当厄尔尼诺发生的时候(下图),赤道上空的信风风向变了!东风变成了西风,也就是说,这个时候,太平洋赤道东岸的海平面升高了,而且由于这些风把大量的雨水带到了东岸,使得原本干燥的东岸多雨,温度升高,冰冷的寒流无法上升,导致鱼类因为缺少食物而大量减少。(图片来源:气象之友


图3 这两颗卫星一颗是Topex/Poseidon,一颗是Jason-1。Jason-1也是法国和美国的合作产品,在2001年升空,是Topex/Poseidon的后续产品。很不幸的是Topex/Poseidon在2006年1月18日因为动力故障关闭,从此成了一颗游荡在地球外的孤魂野鬼。而这个鬼,曾为人类对全球的气候和海洋变化研究,做出了丰功伟绩。


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