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国际前沿周报第15期

3186    2023-01-20    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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海洋颜色系统获得“更新”,可实现更精密和准确的测量

通常我们认为海洋是蓝色的,但在某些地方,它看起来是蓝绿色的。这是因为这些地区到处都是单细胞浮游植物,它们含有叶绿素,并在阳光下反射绿色。浮游植物虽然很小,但其吸收的二氧化碳总量几乎与地球上所有的树木和陆地植物一样多。它们对我们的气候有着巨大的影响,科学家们通过卫星和海基传感器测量海洋的颜色来研究这种影响。

为了确保卫星测量的准确性,美国和许多其他国家的研究人员依靠一种称为海洋光学浮标(MOBY)的海洋彩色传感器。目前,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、莫斯兰丁海洋实验室(MLML)、迈阿密大学和美国国家标准与技术研究院(NIST)合作升级了名为MOBY-Refresh的传感器,该传感器将能够更精确地测量太阳光的颜色或波长。

海洋光学浮标(MOBY)是一种海洋颜色传感器,作为卫星测量海洋颜色的主要参考仪器。被称为浮游植物的单细胞植物含有叶绿素,这种叶绿素能反射阳光中的绿色,从而为海洋增添色彩。研究人员可以研究这些测量结果,以更好地了解地球的气候。作为Refresh项目的一部分,MOBY获得了升级,这将实现更精确和准确的测量。资料来源:莫斯登陆海洋实验室,海洋光学浮标项目。

NIST研究人员卡罗尔·约翰逊解释道:“MOBY测量在太平洋的某个位置、某个波长范围内有多少光被散射出水面。海洋颜色卫星传感器观测海洋,包括MOBY站点。然后,MOBY的数据被传送给卫星团队,卫星团队使用这些数据调整卫星传感器的校准参数,从而提高全球数据产品的准确性”。

MOBY由两个主要浮标组成:测量和记录光线的光学浮标和将光学浮标固定在适当位置的系泊浮标。

光学浮标有一个在水下延伸的中心桅杆。桅杆有三个杆状臂,每个臂上都有收集光线的光纤收集器。光纤收集器检测深度分别为1米(3.3英尺)、5米(16.4英尺)和9米(29.4英尺)。在中央桅杆的底部是摄谱仪,用来测量三个深度中每一个深度的光作为波长函数。

MOBY光学浮标的示意图,它包含一个在水下延伸的中心桅杆,并有三个类似于极点的臂,可以在不同的深度收集光线。桅杆底部是摄谱仪,它测量来自每个深度的光作为波长函数。资料来源:莫斯登陆海洋实验室,海洋光学浮标项目。

MOBY位于夏威夷拉奈海岸外20公里(12英里)处,因为该位置为海洋彩色卫星传感器的校准提供了最佳的大气和水条件。那里的海水作为世界其他海洋的代表,它清澈且叶绿素含量很低;大气也很清澈,几乎没有云,这确保了全球范围内测量的有效性。

海洋光学浮标(MOBY)位于夏威夷海岸20公里处。它由两个浮标组成:光学浮标和系泊浮标。光学浮标包含延伸到海水中的传感器,而系泊浮标将光学浮标保持在适当位置。这是2021年1月部署的最新系泊浮标,作为MOBY-Refresh项目的一部分,是对海洋颜色传感器的升级。资料来源:莫斯登陆海洋实验室,海洋光学浮标项目。

约翰逊说:“光学浮标的生命周期约为四个月,有两个完整的系统。在部署新浮标的同一次巡航中回收水中的浮标,水里的那只会采集数据,而回收的那只则会进行翻新,以备下次运行。”MOBY自1997年开始运作,目前正在进行第74次光学浮标部署。

在Refresh项目中,MOBY正在升级,新的光学系统、支撑结构和控制系统。最终目标是更换老化的硬件并减少测量中的不确定度。2021年 1月部署了第二个系泊浮标,2022年2月底部署了第一个升级的光学浮标。约翰逊表示,数据分析正在进行中,但与MOBY浮标272的初步比对结果非常鼓舞人心。

对于光学系统,升级内容包括一个改进的可以同时测量三个深度光线的摄谱仪,这使得环境不确定度有所降低,环境不确定度包括浮标倾斜和臂深度的波动,以及海浪聚焦时的光线波动。光学浮标现在是由碳纤维制成的,而之前是由玻璃纤维和金属制成的,前者使得结构更加坚固,并延长了其在海上的使用寿命。

MOBY Refresh项目进行的同时,该团队也正在开发名为MarONet的类似仪器,该仪器将用于NASA即将进行的名为PACE(浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统)的卫星任务。光学系统的仪器设计将与Refresh相同,但将有更便携的浮标。

在MarONet项目中,可以拆卸光学系统并将其带到中心位置进行校准和表征。校准描述了仪器输出如何依赖于输入,表征描述了这种关系如何随所有可能的影响因素(如环境温度)而变化。MarONet浮标的部署地点将在西澳大利亚海岸外,浮标校准和维护的中心位置将在夏威夷主要MOBY枢纽的所在地。NIST在此过程中的作用是检查运输过程中光学系统的所有变化。在珀斯科廷大学联合研究员David Antoine的指导下,澳大利亚的场地规划已经开始。2023年,光学和系泊浮标设备将运往澳大利亚。



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