俯瞰全球中高層大氣的“眼睛”
主講嘉賓：武漢大學校長 中國科學院院士 竇賢康
上 篇
從激光雷達到量子激光雷達的跨越
【導視】
探測中高層大氣面臨一個非常難的課題，它難在哪呢？衛星下不來。
從普通雷達到激光雷達
發展出來一套系統，叫量子激光雷達。
從激光雷達到量子激光雷達
把激光雷達放到衛星上進行全球風場的測量。
我們每10納秒就進行了一次完美的探測。
竇賢康：同學們，大家好！歡迎大家來到《大學》。
這兩束光可能大家看到過一束，因為大家都是武大的學生。看到左下角的那一束激光，綠色激光就從珞珈山的后山射向太空。
右下角的那一束激光是在中國科大實驗室的邊上，同樣地也射向太空。
這兩束光是干什么的呢？這兩束光是用來探測中高層大氣的。擺在光學平臺上的設備就是激光器，這樣發出去的激光出去以后，就是大家剛才看到的那兩束靚麗的直插云霄的綠光。
什么是中高層大氣？
中高層大氣是什么？我們在地表面看到很多海洋，波濤洶涌。我們也看到對流層大氣里有云、雨、風，五彩繽紛，冬天有雪，到熱帶地區有很多暴雨。在對流層10公里以上，還是有很多的大氣，這就是我們經常講的中高層大氣。這個大氣不是一個靜態的，也有溫度、密度和風場的變化，所以它被形象地比喻為神秘的、高空的海洋。
人類活動的空間，按照溫度區分為幾個層，對流層就是10公里以下的空間，這里面主要的現象有云、雨、雪，直接和水相關。所謂的對流層就是它在垂直方向上有劇烈的運動，叫對流。在10公里以上，或者20-50公里，這一層叫平流層，這一區域大氣的流動基本上以水平流動為主。在平流層以上50-90公里的地方稱之為中間層，這兩個區域就構成了所謂的中高層大氣的主要區域。這個區域的大氣是變化的，跟地表對流層大氣的變化一樣。中高層大氣的頂端，從90公里開始，上面就稱之為電離層，90公里以下大氣都是中性成份為主；90公里以上出現部分電離，一千多公里到幾千公里完全電離，叫磁層。隨著能量的不斷注入，電離層的帶電粒子往下沉降，也會改變中高層大氣的狀況。這個大氣層我們看不見，或者我們不大習慣在這個區域里面生活和發展。但是這個區域大氣離我們如此之近，而且這個大氣里面的變化也是如此的五彩繽紛。
臨近空間在過去為什么研究得少？
【外景】
竇賢康：現在我們到35公里，信號還是比較強。
工作人員：這個顯示的是5到35公里。
竇賢康：5到35公里。
現在能不能把它的分辨率搞得更低呢，現在新的口徑是80厘米。
工作人員：可以，這個我們記錄的時候都按7.5米記的。
竇賢康：按7.5米記。
工作人員：累計一下，分辨率可以調。
竇賢康：可以調，對。
工作人員：而且這個臨風層也比較清楚。
竇賢康：臨近空間為什么在過去研究得比較少？過去這個區域內人類活動比較少。空間物理研究比較奇怪，兩頭搞得比較清楚，中間不明白。空間物理研究是從對流層開始一直研究到太陽表面。在幾百公里、幾千公里搞得比較清楚，因為有大量的衛星運行，通過探測可以把這個地區的狀況搞清楚。太陽表面可以通過觀測設備搞清楚，地面10公里以下有各種各樣的雷達可以搞得很清楚，唯一不太清楚的就是從地表面開始20-100公里的區域。因為大氣非常稀薄和干凈，沒有反射物，很難探測，導致這個區域的研究相對滯后于其他領域。
為什么要加強對中高層大氣的研究？
中高層大氣里既然大氣這么稀薄，怎么樣去探測這樣一個大氣海洋，這是擺在空間物理學家面前一個非常難的課題。難在哪？衛星下不來，衛星的軌道高度是不能太低的。在低軌道上，很難維持衛星長期有效的運轉，通過衛星的運動，判斷大氣的狀況變得不可能了。因為高度很高，地面的設備，探空氣球又很難飛到幾十公里以上的高度。正因為這些原因，導致我們在這些區域里面探測存在一些困難。探空火箭非常好，可以把穿越軌道上的大氣要素搞清楚，它的優點是時間精確度很高，缺點是它造價很高，打一次探空火箭需要幾百萬人民幣，所以不能反復地打火箭，導致人類對這個區域的探測處于相對空白的狀態。
從普通雷達到激光雷達
在講探測大氣之前，給大家做一個科普性的介紹。大家知道我們探測所有的東西，進行遙感探測，進行遠距離探測常用的是雷達。二戰時期，德國和英國作戰，德國的空軍力量比較強大，但是英國發明了雷達，它發出一個電磁波，碰到一個物體的時候會反射回來，你利用發射波和接收波之間的時間差，乘上光速再除以2，大概知道反射物在什么位置。根據發出的電磁波，它反射回來波的能量的大小不同，大家可以想象一下，一個小球和一個大球，在同樣距離上，發一個電磁波，獲得的能量是不一樣的。通過雷達波返回的時間差和返回能量的高低，可以大體上反映飛機的位置，這樣能夠準確地知道德機來襲的數量以及它現在飛機所處的位置，這樣再去防衛和攻擊變得比較有效。
雷達基本原理用下來，人類的無線電波，大體上有米波、厘米波、毫米波等各種各樣不同波段的波。一個波打到一個物體上，當波長比物體大很多的時候，返回的能量是比較小的。物體本身有比較強的回波，發射出來一個波，大體上和探測物體的尺寸相當。現在探測一個飛機比較容易，因為飛機很大。但是如果我們去探測高空大氣，在10公里以上，20、30公里之間，還有一些火山各種因素導致的氣溶膠，只要有氣溶膠，波打上去回波就很強。
再往上，30公里以上，只有純凈的大氣，這里邊所有顆粒的尺寸多大呢？10的負9次方到10的負10次方米，這個地方只有空氣的分子。在低空探測可以探測雨滴和云滴，但是雨滴再小比空氣分子的尺寸要大很多，所以可以用厘米波雷達探測它，有雨滴的時候，可以用厘米波，甚至用更長的波段探測，但是在30公里以上，就沒有別的更好的辦法了。這個時候大家可以想象得出來，這個層面上唯一能做的是用激光探測它，因為激光的波長大致上和分子的尺度相當。
【外景】
工作人員：可以看到它這里面有點重力波的信息，有點波動。
竇賢康：對，有點。它有點上下波動。
工作人員：要認真分析一下。
竇賢康：這次在做實驗的時候，跟他們（探空）氣球比對了嗎？
工作人員：比了，非常好。效果很好。
竇賢康：效果很好，是吧？
工作人員：這回是背靠背的。
竇賢康：好的，這樣我覺得可能到將來我們再為它研制一些，到這個雷達后邊的光學，看看信噪比能不能再提高一點，提高可以把雷達做得更小。
竇賢康：激光還有兩個非常重要的特性。首先有非常強的方向性。另外，激光有非常好的頻率的單色性。如果激光的單色性不好，會有大量的太陽相關波段附近的能量隨著激光同時回來。激光雷達的基本原理，發射一個激光，向空間穿越的過程里，會在路徑上受到大氣的散射。在不同高度的大氣，不同時間散射回來的，后面利用簡單的接收光路可以把激光穿越大氣的狀態準確地搞清楚。
對于探測中高層大氣而言有幾種辦法：一種是激光雷達，一種是微波雷達，一種是探測火箭。只有激光雷達能夠覆蓋從近地面到100公里，現在正在做國際上最好的激光雷達。
這一部分工作是過去二三十年間，進行激光雷達探測的主要進展。根據回波的能量，可以把大氣溫度、密度測出來，武漢大學山頂上的光可以打到80-100公里，根據重金屬原子的共振、熒光的吸收，可以看出中高層頂的大氣狀況。
中高層大氣風場探測難在哪？
竇賢康：中高層大氣的風場探測難度在哪呢？中高層大氣它在運動的過程里面，學過熱學大家知道，在我們現在的房間里，在室溫的條件下，這里氣體分子在雜亂無章地運動，運動的平均速度是500米每秒。放到高空之后，大氣里面的分子各個方向的運動都有。有一個宏觀的整體運動，就是我們能夠感覺到的風，在雜亂無章運動過程里，我們激光打過去，是每一個大氣分子散射的總和，這樣大家可以看到黃色的一部分。激光打上去之后，即使是完全單色的光，回來之后，由于氣體分子在視線方向上，有的遠離你去，有的向你撲過來，而且速度很快，比它宏觀運動要大得多。
這個情況下接收到的激光本身，就是圖上的黃色部分，是有幾個赫茲的展寬。假設大氣不動就會得到一個穩定的譜，但是這個譜是一個理想的譜。由于我們電子器件的原因，要得到的圖是抖動的圖，邊是不光滑的，是帶有毛刺的，假設大氣不動的話得到這樣的譜（理想的譜）。如果大氣運動，這個譜就會左移或者右移。如果移動帶來每秒10米的風速，移動會非常小。因為譜本身是由于熱運動速度導致的，是幾百米每秒量級帶來的展寬。當風速很小，要將風速測量精度提得很高的時候，黃色的移動部分很小，而且黃色本身又是不光滑。抖動是由于移動導致的，還是由于信號本身晃動導致的，就很難判定。這是大氣里面，測風速最難辦的問題。
【外景】
竇賢康：現在白天觀測做完以后，我覺得基本上除了正午以外應該都沒什么問題了。
工作人員：對。一宿基本都是連續下來的，然后到了早上七點鐘的時候天就亮了，有點暗了。
竇賢康：現在按照這個設計指標的話，如果白天觀測部分做完的話，那個信噪比能提高多少呢，就是能把這個噪聲的指標壓低多少？
工作人員：現在我感覺應該能壓到跟晚上是一樣的。
竇賢康：接近一樣。
竇賢康：我們攻克了這些技術以后，開始研制出成體系的測風激光雷達。這是國際上并行做的測風激光雷達工作的幾家單位，左上角的雷達放在法國的普羅旺斯地區，也是我當時在法國留學的實驗室。這個設備的意義很大，是人類歷史上第一次可以檢測到60公里以上大氣的風場。中間是美國做的測中高層大氣風場設備，右上角的衛星是進行全球大氣風場的測量。
到目前為止，我們還沒有辦法去測量全球的風場。如果要進行全球風場的測量，全球要布多少雷達才能測得出來？所以進行全球風場的測量必須用衛星。這是很早一段時間，計劃中世界上首臺測風激光雷達。放一臺到衛星上去，通過衛星軌道的變化，對全球中高層大氣，包括平流層、對流層的風場進行全球測量。
從激光雷達到量子激光雷達
【外景】
工作人員：這邊是一個新機理的實驗。大起來它要復雜得多，我們用到了聲波、電光、調制，然后這樣我們要比對手又要降五十倍的功率，我們要實現一樣的高信噪比的探測。
竇賢康：歐洲在上個世紀末，提出了著名的“風神計劃”，把激光雷達放到衛星上進行全球風場的測量。要進行全球風場的測量，就必須要通過衛星來做，歐洲這個計劃成形的時間已經非常長。大概是90年代末提出來的這樣一套系統，提出到今天，這個計劃已經被推遲發射好幾次，它的原因在哪？因為既然從高空往底下來進行探測，就需要比較強的激光，激光能量越來越大的時候，往往會把光路里面的某一個鏡片燒壞。在這樣的過程里，激光雷達在地面很容易做，燒壞了擰下來換一個就可以重新開始工作了。但是衛星上不行，因為上面沒有人，沒有辦法更換器件。
如何在大功率條件下，實現穩定地、長期地觀測，就變成是一個難題。這樣前提下我們有另一個辦法，發展出來一套系統，叫量子激光雷達，這也是我個人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。
【外景】
學生：校長，您好，我有一個問題，就是量子激光雷達跟傳統雷達原理上有什么不同，它有什么比較顯著的優點嗎？
竇賢康：傳統激光雷達，要通過提高能量和提高接收望遠鏡的面積來實現，但量子激光好在哪？我通過單光子的操作，可以降低它的噪聲水平和提高它的工作效率。實現過去傳統上通過能量提高和望遠鏡口徑提高，來實現性能上的提高。后面我們通過超導的辦法，能夠把它非常弱小的信號檢測出來，我們的提取和檢測都基本上做到極致，這就是基本上目前技術條件下，我們能想象出來的激光雷達極限。
【提問】
學生：您好，剛才您提到量子激光雷達是探測中高層大氣的利刃，您認為我們國家大概什么時候能夠完成星載激光雷達？
竇賢康：量子技術最突出的優點，有比較高的探測效率，這也是將來能夠上星非常重要的步驟，現在通過科學院的“鴻鵠計劃”，先把它放到球載技術上做。
【新聞報道】
中國科學院A類戰略性先導科技專項“臨近空間科學實驗系統”（簡稱“鴻鵠專項”）日前啟動。鴻鵠專項將突破一系列關鍵技術，建成我國首個臨近空間科學實驗系統。
竇賢康：球載做完以后把它安全性、可靠性、穩定性驗證完之后，我有一個夢想，這輩子能在科技上干成的最后一件事情，希望能把中國的星載測風激光雷達做出來。
下篇
中國核心技術上的突破靠什么？
【導視】
把我們的科技成果能夠轉換成推動中國經濟的發展，解決中國實際問題的方法。
如果你的核心技術不掌握，那是非常危險的。
要靠我們中國的青年學者、科技人員的努力，才能走在世界的前列。
竇賢康：大家好，歡迎來到《大學》。
量子激光雷達的創新
下面簡單跟大家介紹一下量子激光雷達的原理。
這是一個著名的激光雷達的方程，原理要講清楚比較容易。你要實現一個高的時間和空間分辨率測量的時候，唯一的辦法是做兩件事，一是不斷地提高激光器的能量，二是不斷提高接收望遠鏡的口徑。這個是很難做到的，地面可以，但是在衛星上很難做到更大。而且能量過高，它的光路會經常損壞，使得你星載的激光雷達很難運行。這就是為什么國際上星載激光雷達遲遲上不了天的主要原因。
當時我們研究方程的時候在想，后面幾項沒有辦法變，就是大氣的衰減，怎么辦呢？提出量子激光雷達的初衷很簡單。過去只是把能量和望遠鏡面積提高，來提高雷達的性能。現在還有兩個因子，一個是量子效率，還有一個光子的能量。當時提出一個方案，把紅外的光打出去，波長長，回來以后光很難探測，利用上轉換技術，把它從紅外的波段，轉換到可見光的波段。轉換過程里，一方面相當于把大氣太陽的背景抑制掉，同時把它的光換成量子效率很高的光來進行探測。打一個比方，一個乒乓球很輕，外面包一個很重的鐵皮扔過去，它的可探測性就會變得非常之好。
原理是紅色部分發出一個光，經過上轉換技術，轉換到藍點，轉換之后，它的暗噪聲和量子效益同步提高，可以比傳統的激光雷達信噪比提高1800倍，這是一個大幅度地提高。做同樣一個設備，用量子技術，和原來的傳統雷達比，激光器能量可以變成原來的1/10，望遠鏡口徑可以變成原來的1/10，進行星載就變得格外地容易了。這是量子激光雷達的原理。
一個激光雷達好壞的差別，就看在同樣的距離下，誰發出的光子多、誰的信號強。我們這一套設備既有比較好的性能，同時又有比較低的噪聲。
【外景】
竇賢康：從一百公里到一千公里的地方，現在大氣的中性氣體探測，國際上沒有手段，但是在這個地區電子的、電離成分的探測是有手段的。我覺得這個我們要花點時間把它搞清楚。
激光雷達的應用
竇賢康：激光雷達民用的實施，當時在合肥測企業的排放，利用原來的激光雷達，過去可以測2公里多，現在可以測8公里，它的意義在哪？比如用傳統技術在武漢需要布100臺，用我們的新技術只用布10臺，任何一個探測技術的進步，就可以帶來應用的快速發展。
量子激光雷達前景
量子激光雷達以后前景非常大，比如它能夠進行各種大氣要素的探測。在科學院“鴻鵠計劃”里，希望把我這一套設備放到臨近空間里面去，進行環境測試、穩定性測試之后，下一步把它搞到衛星上去，盡快把中國的星載測風激光雷達送上天。
【外景】
竇賢康：實際上就實現了每十個納秒就完成一次粒子或者是目標的探測。
【提問】
學生：竇校長，你好！作為一個學科前沿的開拓者和一位投身于一線數十年的科技人員，您認為一個科學家的重要的品質是什么？
竇賢康：作為一個科學家最重要的品質，應該是足夠敏銳，具備對于前沿科技問題的把握能力。可能聽起來比較枯燥，確實反映了科學家最重要的品質。牛頓被蘋果砸到，后來搞出萬有引力定律，這就是科學家非常敏銳的方面。包括愛因斯坦提出相對論的時候，在諾倫茲變換里面發現有一些量不守恒了，他就敏銳發現時間和空間的統一。作為科學家而言，對前沿科學的洞悉力很關鍵。中國是經歷了從落后到發展的國家，又是一個大國。有敏銳的科學精神，要有嚴謹作風，這都是科學家最本質的屬性。
一個知識分子首先要把科研做好
竇賢康：我們這一代人是改革開放之后走出去的中國留學生。作為一個知識分子的責任，首先要把科研做好，作為科學家或者作為老師要把課上好。
有一張照片，伊藤博文和李鴻章談中日馬關條約，這個時候日本人很得意，能夠把這么大的國家打敗。他跟李鴻章講，中國很大，但是被我們打敗了。
【外景】
所以李鴻章也很無奈，說中國雖然地大物博、人口眾多，但是人才很少。我想在清朝那個時候，作為一個談判官員，我相信他心里也是很悲涼的，那時候他也體會到了人才對一個國家的極端重要性。
竇賢康：老一代的科學家，像郭永懷、錢學森、鄧稼先27個人回來搞出了“兩彈一星”，那個時候的待遇和現在差別千百倍。隨著“兩彈一星”事業的發展，為中華民族的不斷發展提供了保障。
【習近平總書記同期聲】
現在在這些核心技術、關鍵技術、國之重器，必須立足于自己。過去我們不得不自力更生，但是那個時候我們勒緊褲腰帶，咬緊牙關我們還創造了“兩彈一星”。
————2018年4月24日至28日，習近平在湖北考察
竇賢康：郭永懷是一個力學專家，和錢學森一同回國，27個人搞成了中國“兩彈一星”的事業。這是一個非常清瘦的人，但是卻是偉大的科學家。做了核實驗之后，把數據送到北京，和他的警衛員坐飛機返回北京，到北京機場附近的時候墜落了，英勇地犧牲了。大家發現他和警衛員緊緊抱在一起，分開的時候他們胸前的數據公文包還沒有燒壞，數據本子還是好的，他是一個偉大的科學家。他的太太叫李佩，曾經是中國科技大學的外語系老師，“兩彈一星”勛章頒發以后，李佩就把他的勛章轉交給中國科技大學，現在還放在科大的校史館。
出國留學后毅然回國建設祖國
我們是80年代末出國的一代人。90年代初，我去北京的時候沒有高速，還要坐很舊的公共汽車跑到機場去。當時北京機場沒幾架飛機，而巴黎機場非常繁忙，反差非常大。當時我們就在想怎么樣通過自己的學習，幫助國家走向更加富強。我們是80年代末出國的一代人，在90年代中期回到國內來，當時有一個樸素的感覺，國家發展需要人才，希望自己回來以后，干一些事情。回顧走過的近30年，我們這一代人，確實參與了國家進程的各方面。在人生過程中會發現，除了滿足個人的利益以外你會活得更有價值。
【外景】
竇賢康：中國經濟要轉型，國家要變成一個社會主義現代化強國，必然要推動創新。創新要靠人，中國一些青年人才被不斷地培養出來，還有不斷的海外人才回國工作，人才的文化土壤已經有了，我想中國會在創新方面邁上更大的臺階。
核心技術靠化緣是要不來的
竇賢康：這么多年隨著中國的技術進步，中國的國力不斷增強，中國的發展速度非常快。
Natuer Index挑出來幾十種期刊，都是各領域最好的期刊，這些領域發文的數量，至少反映這個大學和研究機構研究問題的前沿程度和活躍度。全世界前50名的高校，中國已經有8個。這從一個側面反映了中國科技和經濟的發展。
我們重視成績的時候，也必須看到差距。向世界第一邁進的時候，核心技術非常關鍵，核心技術要靠中國的科技人員把它搞出來。怎么把它搞出來？需要在大學階段，把它學進去，用到的地方，物理概念和電路問題搞得很清楚，不能光靠下決心，這個時候要承擔起來中國在核心技術上的突破，靠你們年輕這一代。
【提問】
學生：做一個課題需要很久時間，會遇到很多困難，有時候就會想到要放棄。是靠什么信念支撐自己，去完成自己的課題，進一步提升自己的能力？
竇賢康：這個問題非常好，作為一個科學家而言，往往能夠沉得下氣坐冷板凳。人都會遇到困難，我做激光雷達的時候，曾經有一段時間出不了信號，也會有焦慮。作為一個青年科學家要知道，往往最難的事情應該沉得住氣去長期堅守。在研究過程中，不管遇到什么困難，冷靜思考一下，往往困難越多，你把困難解決掉，你取得的成就就越大。
竇賢康：三代中國人有三代中國人的責任，錢學森那一代人發明了“兩彈一星”，為中華民族的發展奠定堅實的基本保障。我們這一代人是從80年代改革開放以后成長起來的一代人，參與了中國改革開放事業，使中國已經走向了社會主義現代化的強國道路，我們富起來了。隨著你們的不斷努力，一定能把中國建得更加強大。
【外景】
竇賢康：武大是1893年建校，當時叫自強學堂。在抗戰的時候，在西遷過程中，雖然那時候很艱苦，但是大家還是比較有民族責任感的。我覺得武大的精神就是“自強弘毅，求是拓新”。一百多年來，秉承一貫的價值追求和理念。
現在要扎根中國大地辦大學，這個階段我們在做好自然科學研究，做好基礎研究的同時，就是我們在力所能及的范圍內，能夠把我們的科技成果，轉換成能夠推動中國的經濟發展，解決中國實際問題。
竇賢康：畢業典禮一定要突出兩個標記，一是要突出它的學術性，二是要突出對學生的尊重。要求導師團隊為典禮上每一個學生扶正流蘇，希望能夠使武大的所有學生在武大學習期間取得的成就，最后在學位的授予時我們給他平等、公平地對待。通過這樣的儀式樹立學生的榮譽感，小的層面愛武大，大的層面愛國家。另外，讓武大的學生知道，學術這個領域里面，一定要按照學術標準規范做事。我們作為科技工作者，要盡我們的責任，把我們該干的事情干好。
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