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NASA在气候研究领域重新发力 发布日期 :2021-07-21  

►李婧华

  拜登就任美国总统以来,与前总统特朗普在气候问题上的不作为形成鲜明对比,签署行政指令重新加入《巴黎协定》,签发应对气候危机行政令,并设立一系列应对气候问题的新机构。
  随着拜登政府将应对气候变化作为政府的优先关注事项,NASA 也计划加强其在气候领域的研究。NASA 任命了该机构成立以来的首位高级气候顾问,并加入了美国国家气候工作组。该工作组“将促进组织和部署政府范围内应对气候危机的方法”。在获得有史以来最多的 248亿美元预算后,NASA 将更加有底气开展其气候研究。
任命首位高级气候顾问
  NASA 在气候领域的发力,突显了拜登政府在联邦政府内推动气候政策的努力。为了有效实现拜登政府为 NASA 制定的气候科学目标,今年 2 月,NASA 在机构内设立了一个高级气候顾问的新职位,并任命加文·施密特(Gavin Schmidt)为该机构首位气候顾问(链接 1)。施密特是 NASA 戈达德太空研究所主任。
  NASA 代理局长 Steve Jurczyk 说:“这个职位将为 NASA 领导层提供关键的见解和建议,为 NASA 与气候相关的科学、技术和基础设施项目提供全方位的建议。让 NASA 更有效地协调各项努力,从而帮助政府实现应对气候变化的目标。”有关人士表示,加文·施密特的任命将有助于确保拜登政府拥有实施和跟踪其计划的关键数据,以实现到 2050 年前净零排放的目标。
  高级气候顾问的具体职责包括:促进并参与科学任务理事会地球科学部与气候相关的投资;推动以减少二氧化碳排放和广泛的气候影响为重点的航空和其他技术倡议;展示和沟通NASA 在气候方面投资的社会影响和广度;促进 NASA 科学界内外的沟通和协调;积极参与加强该机构与气候相关的研究和技术开发。

2022 财年新预算
  拜登任期的一个主题是解决气候变化问题,这一目标在新预算中明显体现,与 2021 年相比,2022 财年在气候变化领域预算增加了 140 多亿美元,用于解决气候危机。
  NASA 也获得了有史以来最多的预算,总计达 248 亿美元,比上一年增加 6.3%。NASA在一份声明中表示:“作为地球科学的全球领导者,NASA 在帮助世界了解和减缓气候变化方面具有独特的地位。新预算增加了对气候研究和科学项目的投资,使 NASA 能够建立下一代平台——地球系统观测站(Earth System Observatory),并提供关键数据,帮助我们更好地了解地球系统,在面对自然灾害时做好准备和保护工作。”
  NASA 地球科学研究的预算增加了13%,达22.5亿美元,主要投资于气候和应用研究(图 1)。大部分预算将用于建设地球系统观测站,该项目的一部分是在未来十年开发 5 颗卫星,提供关于气候变化的两种长期存在的不确定因素(云和气溶胶)的信息,同时提供关于地球表面变化的温度和化学物质的新细节。第一个地球系统观测站项目——NASA与印度空间研究组织(ISRO)联合开发合成孔径雷达(NISAR)任务,已于 2014年开始实施,计划于 2023 年发射(图 2)。NISAR 任务将在同一颗卫星上结合 L 波段和 S 波段雷达来观测冰川崩塌、地震、火山和滑坡等自然灾害。其中,NASA 为 NISAR 任务提供 L波段雷达、高速通信系统和数据存储系统,ISRO 提供 S波段雷达、航天器总线和运载火箭。

  新预算同时支持正在进行的地球系统观测站的发展,包 括 PACE 、 CLARREO Pathfinder、SWOT和Landsat9。此外,还将加强地球数据系统建设,支持未来新任务的巨大数据量和人工智能/机器学习;从商业 SmallSat 星座获取地球科学观测数据,以增强或补充NASA 的观测数据。
听证会聚焦 NASA 地球和气候变化活动
  5 月 18 日,美国众议院科学、空间和技术委员会主持听证会,审查 NASA 地球科学和气候变化的活动和计划,包括天基观测的作用和伙伴关系等。听证会的题目是“NASA 的地球科学和气候变化活动:当前角色和未来机遇”。
  NASA 以太空探索而闻名,同时也是地球系统科学的全球领导者,NASA 对地球的首次太空观测可以追溯到 20 世纪 60 年代。目前,NASA 管理着在太空中飞行的 23 个观测系统,其中包括国际空间站上的 6 个。NASA 是唯一在地球观测方面有完整的端到端的项目的太空机构,包括任务开发、业务、技术、研究、数据系统和应用。
NASA气候研究
  NASA 气候研究的支柱是自 20 世纪 60 年代以来,特别是自 1979 年以来,从太空进行的观测。这些长期观测提供了气候变化的显著证据,例如,40 年来的 Landsat 卫星图像显示山地冰川持续消失,重力反演与气候实验(GRACE)以及后续重力测量结果显示格陵兰岛和南极冰盖质量不平衡,以及卫星测高任务显示全球海平面上升(见图 3)。通过与 NOAA、美国国防部(DoD)、国际合作伙伴以及其他机构的合作,NASA 记录了从海洋深处到大气层 80 km中间层的温度变化,记录了北极海冰的急剧崩塌,以及臭氧空洞的历史及其对大气和海洋环流的影响。

  NASA 追踪了许多驱动气候的因素,如温室气体浓度、森林砍伐、空气污染、太阳和火山活动。除此之外,NASA 还研究了各种气候过程,包括云的形成过程、降雨的垂直分布、云凝结物相位、气溶胶的直接和间接影响、改变冰和雪反射率的机制、大气化学的影响、以及二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等重要气候驱动因素的时空变化。
  NASA 通过与 NOAA、美国国家科学基金会(NSF)和美国能源部(DOE)等多个机构的合作,对这些过程的观测与地球物理流体动力学的基础研究相结合,为天气气候模式提供了信息,并改进了模式系统的发展。这些工作为美国国家气候评估和 IPCC 评估报告提供了信息。
  参与 NASA 气候方面的研究不只是地球科学部。太阳物理部继续通过其“与恒星共存”计划,支持研究太阳活动变化对所有时间尺度上地球气候的影响。行星科学部在天体生物学的大框架下,利用最初为地球开发的气候模式,之后进行了扩展的模式,研究了 45 亿年来的地球,以及其他太阳系天体(如金星、火星和木卫二)和系外行星的可居住性。
  除此之外,NASA 的气候研究还包括航空航天技术的研究,重点是清洁能源、环境监测、可持续航空和治理。
NASA技术在减缓气候变化方面发挥关键作用
  自成立以来,NASA 开发或促进了在太空和行星探索、地球研究以及商业飞行等核心任务中重要技术的发展。通过技术转让计划,许多创新技术已经被重新利用在地球上。例如,一项用于火星探测的甲烷探测传感器技术由喷气推进实验室(JPL)授权给总部位于加利福尼亚的 SeekOps 公司,该公司既销售这些传感器,又使用该技术精确地检测遍布加州、北达科他州、俄亥俄州、科罗拉多州和德克萨斯州的井场的排放和泄漏情况。
  NASA 开发和推进了许多在减缓气候变化方面发挥关键作用的技术。NASA 对先进飞行器技术和操作的研究和开发,使过去 50 年全球民用航空机燃料效率显著提高。
  NASA 采用成本分担的方式,与工业界一道投资高风险、高回报的技术进步。下一代单通道飞机将在 2030 年左右投入使用,燃油效率比现在至少提高 25%。NASA 和工业界还将首次展示用于大型运输机的大功率混合电力推进系统、先进的复合材料和制造工艺,以及先进的发动机技术,这些都是基于 NASA 突破性创新和与工业界的合作。
  NASA 通过改进空域管理和飞机运营,提高飞机燃油效率、减少碳排放以及其他有害排放。NASA 已经与美国联邦航空局(FAA)和美国航空公司合作,通过开发先进的空域工具来减少碳排放。未来,NASA 将推进基于地面和飞行的综合技术,在飞行的每个阶段进行轨迹优化,从而减少二氧化碳和臭氧的影响。
  NASA 正在开发和测试 X-57 全电动通用航空尺寸飞机,为全电动飞行提供解决方案。X-57将于 2021 年底首次飞行,以测试和确定电气化飞机技术的适航性,例如电池和电动机,适用于广泛的电动飞机配置和任务。X-57 的开发数据与工业界和学术界共享,以支持新的行业标准和电动飞机认证途径的发展。
  作为 NASA 研究激发商业创新的一个例子,NASA 与位于加州的 Electric Power Systems公司合作,为 X-57 设计和开发了电池。这些电池主要用于短途(约 1 小时)飞行,并创建或扩大零排放航空商业模式。到 2035 年,这一先进的空中交通市场预计将达到每年 1150 亿美元的价值。
  此外,NASA“大学领导力计划”支持大学为未来航空业净零碳排放开发下一代技术(图4)。最有潜力的概念将会进行地面测试或实际飞行测试,目标是在 2050 年前将其商业化。获奖的例子包括:俄克拉荷马州立大学开发的实时天气预报工具,以提高低空飞行的安全性和效率;俄亥俄州立大学领导的对电力推进的挑战和机遇的评估;伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的先进飞机概念;以及宾夕法尼亚州立大学领导的混合电力推进系统的先进涡轮机研究。
NASA气候研究拥有广泛的利益相关者
  NASA 与美国公司和大学开展广泛合作,推进各领域的可持续性技术。小企业创新研究计划(SBIR)就是用于推动 NASA 和空间应用技术的一种机制。NASA 与一些企业签订了合同,进一步开展与气候相关的研究和分析。例如,总部位于弗吉尼亚州的 Virginia Diodes 公司已从该计划获得了几项奖项,其中一项是 2017 年为在国际空间站部署的立方体卫星 IceCube 提供接收器。IceCube 在 2018 年 10 月之前一直在近地轨道测量冰云。这些测量结果绘制出了世界上第一张全球大气冰分布的地图,大气冰对地球的能量收支,进而对我们的气候有着重要的影响。
  Applied Geosolutions 公司的 RiceDSS 决策支持系统也获得了 SBIR 的资助,该系统改进了水稻生产的实时预测和生长条件的评估,帮助促进经济稳定,同时解决与气候变化和全球粮食供应系统相关的关键人道主义问题。
  受气候变化影响越来越大的极端事件往往需要迅速的应急响应,NASA 与一些州和地方机构合作,应对从野火到飓风等各种灾害。NASA 与当地政府机构合作,帮助规划城市环境中的气候变化和海平面上升问题。例如,NASA 为纽约市气候变化专门委员会在制定纽约市新标准和规划指导方针方面发挥了重要作用。
  NASA 积极参与 USGCRP,帮助协调 13 个美国机构的全球变化研究活动。NASA 也是白宫国家气候工作组(NCTF)以及 NCTF 气候创新工作组的成员。此外,NASA 还参与了美国国内和国际组织(如国际民用航空组织和联合国)的多个专题工作组。
  NASA 还与世界各地的空间机构建立伙伴关系,开发、建造、发射和维护测量长期气候数据的平台和仪器,包括与 ESA 和 EUMETSAT 合作的卫星测高任务。
未来研究计划
  新预算增加了对地球科学研究的资助,以增强 NASA 处理重要气候研究优先事项的能力。未来 2 年,NASA 将加速三个关键领域的工作:
♦ 空基观测:通过投资创新技术,探索替代观测平台,尝试新的工业合作和商业服务方式,并继续扩大国际合作,提高“看”地球系统的能力。
♦ 模式与信息学:通过跨度从几分钟到几十年的框架,集成观测资料和先进模式,以促进对整个地球系统的理解和预测。
♦ 应用与传播:加快科学认识,以可扩展的方式提供信息,为决策者、管理者和公众提供信息。
  NASA 物理海洋学项目准备在 2022—2023 年进行一次专门的海洋盐度外场活动,研究盐度在极地环境中的作用,NASA 将把观测活动与卫星观测和模式研究结合起来。这项研究的主要科学目标是阐明在海洋-冰相互作用中盐度发挥的作用,并在快速变化的北冰洋中确定潜在的盐度-冰反馈机制。
  NASA 计划在 2035 年 5—7 月进行北极辐射-云-气溶胶-海面相互作用试验(ARCSIX),利用飞机飞跃北冰洋开阔水面和海冰区域,低空飞行进行采样,高空飞行进行遥感测量。ARCSIX 的首要目标是量化海面特性、云、气溶胶粒子和降水对北极夏季辐射收支和融化季节海冰融化的贡献。
  NASA 计划升级空间测量卫星激光测距站。在完成升级后,将改进卫星精密定轨的准确性,提升 ICESat-2 和 GRACE-FO 数据产品;还将提高 GRACE-FO 低阶重力场产品的准确性;并提升 Sentinel-6 卫星的海平面上升速率及其加速度估计的置信度。
  科学计算计划将增加对云计算能力和设施的投资,以支持可持续增长。高端计算能力计划(HECC)为技术更新加大资金投入,以提高性能和生产力。在沿海恢复力和基础设施领域,NASA 致力于了解气候影响,并提供重要的知识基础,供社区为应对气候变化做好准备,为气候风险管理提供综合的、基于科学的方法。NASA 计划扩大与海平面上升有关的工作,在目前NASA 海平面变化小组的基础上,加强与其他联邦机构的合作,特别是美国全球变化研究计划,并进一步整合现有的观测和模式。NASA 还将加强对沿海地区水质及其影响因素的分析。NASA 还将加强对大气甲烷的研究,利用现有的卫星和机载数据以及大气模式更好地了解其排放。
  NASA 将继续开发先进的季节预测系统,包括次季节到季节模式,并同化新的卫星观测资料。通过加强地球系统模式和同化成分的耦合,评估地球系统中的其他可预测性来源。评估将突出极端降水事件(例如大气河),并进一步开发和利用海洋观测资料。
  地球科学研究将利用卫星和机载观测来进行碳监测和碳循环的科学、模拟/分析以及商用技术研究。这些分析将用于生产和共享产品,包括大气-地表通量和地表生物量产品。这些产品既可用于科学目的,如碳循环收支,也可用于政策评估目的。
  最近,NASA 召集了一个气候战略工作组(CSWG),来制定机构未来的气候战略。NASA认识到,需要在项目间、部门间进行整合,并与跨部门和其他合作伙伴建立联系。例如,虽然地球科学部的许多应用科学项目涉及气候变化,但气候并不是任何一个项目的核心重点。相反,NASA 的很多气候变化科学根本不属于应用科学项目。这导致了一系列与气候相关的伙伴关系是“拼凑”的,这些合作尽管取得了成功,但范围狭窄,并且有些随意。比如,纽约市从 NASA 对其决策进程的投入中获益颇多,而新泽西或康涅狄格州的邻近城镇却没有。此外,许多正在或将要受到气候变化影响的社区可能没有与 NASA 合作,如何通过更有针对性的推广、培训和伙伴关系建设促进环境正义的目标,这是 NASA 面临的一个问题。