探測地球大氣的利器–雷射雷達
94/08/04
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倪簡白｜
中央大學物理學系
雷射雷達是以雷射光代替無線電波進行遙測的技術，它的英文是laser radar或Lidar。雷射雷達在雷射發明後不久就已經出現了，首先是在1963年由英國的費科等人，利用雷射對離地表二十多公里高空中的懸浮微粒（又稱為氣膠）進行遙測。在當時，所使用的雷射是人類所發明的第一臺固態雷射，具有波長694.3奈米的紅寶石雷射。雖然現在仍然有少數單位還在使用紅寶石雷射，但是隨著技術的發展，多數的雷射雷達已經被摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）雷射所取代。
Nd:YAG雷射的波長是近紅外光的1064奈米，但在經過倍頻處理後，變成波長532奈米的綠光，並廣泛使用在雷射雷達技術上。綠光的優點是不會被大氣層吸收，但缺點是對人的眼睛可能造成一些傷害。
在臺灣，中央大學10年前首先設立國內的第一臺雷射雷達，這套系統也是使用綠光雷射。過去10年間，中央大學用雷射雷達探測本地的大氣微粒、沙塵暴、雲結構和大氣溫度等的氣象資料，目前這套系統仍然持續運作中。
目前雷射雷達的主要應用，除了測量大氣的溫度、風速，和監測微粒、臭氧與硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）等污染物外，還應用在天文研究上，主要是利用雷射光引誘在離地大約100公里左右，中氣層內的鈉原子發出螢光，製造所謂的人造星光。因為這是一種可以人為控制的星光，可以用來校正望遠鏡的光學系統，這些光學系統又稱為自適應光學系統。目前，世界上幾個主要天文臺都有這一類的裝置，效能可以媲美太空望遠鏡。
雷射雷達系統一般由雷射發射器、接收設備與信號分析系統三大部分組成。接收設備中最主要的是一個口徑比較大的望遠鏡，因為雷射光照射到幾十公里高空後，能散射回來的光子已經很少了，所以必須用最靈敏的方式偵測這些微弱的光。接收設備還包括非常靈敏的光電管和信號放大設備，用來解析雷射在高空的散射過程。以下就簡單地描述這些裝備。
Nd:YAG雷射經過倍頻以後，產生平面偏振、波長是532奈米的綠色雷射光，再由可以調整角度的反射鏡反射到天空中。雷射光與大氣分子或微粒作用以後，產生的背向散射訊號由45公分的牛頓式望遠鏡收集，再使反射光通過一個窄頻濾鏡（中心波長是532奈米），以濾去大部分的背景光。
訊號再經過一個偏振分光晶體把散射光分成兩個分量，其中一個是偏振方向與雷射源平行的訊號，另一個是偏振方向與雷射源垂直的訊號。兩個分量分別由一支光電倍增管進行偵測，放大以後的信號，各由一部鑑別器過濾雜訊，再經過同軸電纜各自傳送到多頻道分析儀。
當雷射裝置產生一個雷射脈衝時，立刻觸發多頻道分析儀並開始記錄，多頻道分析儀對各時間散射回來的訊號加以區分累積，再透過電腦儲存資料，以備後續的分析。例如在中央大學系統中的多頻道分析儀，每一頻道設定成160奈秒，相當於24公尺的空間解析度。
多頻道分析儀是一種可以提供時間分辨的儀器，它把時間分割成許多頻道（例如1024），每一個頻道有固定的時間寬度（例如160奈秒）。當它被觸發後，就立刻進行分析。信號的來源主要是空氣分子的雷利（Rayleigh）散射，由於空氣濃度隨高度而遞減，所以背景散射也隨高度或頻道數增加而愈少。
雷射雷達系統
為了配合各種應用，雷射雷達系統已經發展出不同的形式，除了在天文學上另有應用外，主要的目的都在探測大氣的氣象資料。
光散射雷達 光散射雷達主要應用在探測空氣中的懸浮微粒或雲層。大氣中的微粒以各種型態存在，它們來自大自然、人為污染物（例如汽車排放的碳氫化合物）、雲（水氣）、海鹽、植物、沙漠、火山爆發等等，目前一概都以氣膠來稱呼。氣膠粒子存在於從地表到離地30公里的大氣中，在未受到污染的環境中，氣膠主要來自海鹽、沙塵和火山爆發等。但人類的各種活動，例如交通、燃燒、工廠，也釋放了許多化學微粒，但是它們大多數只存在於10公里以下的低空大氣層中。
離地10公里以上的氣膠主要是自然界產生的，例如由硫化物（像二氧化硫）變的硫酸滴，形成一種背景氣膠。它的主要來源是地球上不時爆發的火山活動。
過去十多年間，地球上最大的一次火山噴發是1991年6月菲律賓的皮納土波火山爆發，它向大氣層噴出了近2千萬噸的二氧化硫，對大氣造成極大的干擾，例如地面溫度降低1～2度、高空變暖、臭氧減少等效應。皮納土波火山爆發的情形，曾被人造衛星和世界上許多的雷射雷達記錄下來。大氣中的懸浮微粒對氣候、地表溫度及大氣化學有重要的影響。光散射雷達已經成為雷射雷達中最普遍的一種。
光散射雷達也是研究大氣雲層的重要工具，多年來各種衛星和雷射雷達一直針對16公里對流層頂由一種冰晶組成的稀薄卷雲（cirrus cloud）進行監測。在那裡的大氣溫度可以低到攝氏零下80度左右，因此，氣態水在那裡只占大氣的百萬分之一左右。卷雲的結構鬆散，還包含一種無法目測的卷雲，稱為「不可視卷雲」。
目前我們對卷雲的認識並不太多，僅知道它的冰晶有許多形態，例如玫瑰花形、盤狀六角形或桶形、子彈形。在當前的大氣臭氧和溫室效應二大主題上，卷雲都可能扮演重要的角色：在它的冰晶表面上可以發生化學變化，影響臭氧的組成，另外它能吸收紅外線輻射並散射太陽可見光，因此與溫室效應有密切的關係。
微粒的另一個來源是沙塵，地球上沙塵的最大來源是非洲的撒哈拉大沙漠。但是在東亞的戈壁沙漠附近，由於沙漠化的影響，沙塵也很嚴重，甚至會造成沙塵暴，引起全世界的關注。大陸北方由於氣候乾燥，春季時地面剛解凍，起風時常常發生黃沙蔽日，影響範圍可以達到十幾省，波及上億的人口。
沙塵暴對東北亞，例如日本、韓國等地區，也造成嚴重的環境與經濟影響，它甚至還可以傳送到北美，對臺灣的影響也不可忽視。因此，日本從1997年開始，建立了亞洲雷射雷達網（Asian Lidar Network），結合了包括日本、韓國、大陸等地的十幾座雷射雷達站，協同進行沙塵觀測。
中央大學的雷達目前正努力在探勘每年春天發生的大陸沙塵暴，因為來自大陸北方的沙塵已經成為臺灣地區的重要污染物之一。大陸來的沙塵飄到臺灣時，會集結在距地面3公里以內的大氣中。在春天的早晨，如果你起床發現車子或玻璃窗上集結了一層沙，可能就是從戈壁大沙漠來的。
臭氧差分光雷達 這類的雷達射出兩道光，一道光會被待測物（臭氧）吸收，而另一道光不會被吸收，比較這兩道信號的散射強度就可以推算出待測物的分布，所以又稱為差分吸收雷達（differential absorption lidar，DIAL）。DIAL最常用來探測臭氧，例如臭氧對308奈米的光有較強的吸收，而對355奈米的光吸收較弱，因此比較這兩道光就可以探測臭氧的濃度，這就是臭氧差分光雷達。
其實，308奈米與355奈米的光都會被大氣散射而返回地面，但由於被臭氧吸收的程度不同，308奈米光散射回來的信號比355奈米光小了很多，從二者的差值，就可以推出臭氧的分布。近年來，由於關切大氣臭氧層被破壞的情形，臭氧差分光雷達也因此在世界的許多地方設立起來，成為監測臭氧的重要工具。臭氧雷達的優點是可以提供連續的監測，就像光散射雷達一樣，既可以進行長時間（幾年）的探測，也可以做短期（幾小時）的觀測。
原子共振螢光雷達 空氣中的金屬原子數量很少，但是很特別的，在距離地面90公里附近的中氣層內，有一些微量的金屬原子，例如鈉、鉀、鈣、鐵等等，都是外太空隕石進入地球大氣層後燃燒所留下來的。高空的鈉原子可被陽光激發而發射黃光，在黃昏或黎明時，從地面上可以觀察到，所以科學家在很久以前就已經知道它們的存在。原子吸收光再發射光的過程稱為共振螢光，原子對光的吸收很強，因此共振螢光成為一種探測微量原子的重要工具。
以鈉為例，如果把雷射光的波長調整到589奈米—鈉的共振吸收光上，鈉原子就會再把它向四面八方射出，少部分回到地面被探測到。
鈉原子雷達近年來有一個很重要的應用，就是利用高解析度雷射光譜，可以探測它的光譜結構，從而推導高空的溫度，因此鈉或鉀雷達已經成為測量距地面90公里處中氣層密度和溫度變化的重要工具。在雷射雷達發明以前，50～100公里高空的中氣層，因為飛機飛不到，而衛星又太高，一直無法很深入地研究。一直等到鈉原子雷達出現後，中氣層溫度的量測才有重要的突破。
大氣的最低溫位於中氣層頂，利用鈉原子雷達，我們對這大氣的低溫層有了全新的認識，發現與過去的認知相差很多。也由於這些研究，讓我們對中氣層的動力學與化學有了更深入的了解。
拉曼光雷達 1930年代，印度物理學家拉曼發現光與物質作用時，會使分子射出與入射光不同波長的輻射，稱為拉曼散射。例如532奈米的雷射光射到氧氣，會散射出光波長 607奈米的拉曼光，而對氮氣是671奈米，對水氣是777奈米。這些波長的轉換與分子內能有關，涉及到的是分子的振動能階。
因為拉曼散射十分微弱，所以需要很強的光源。例如前述的氮氣或氧氣的拉曼光，在1大氣壓之下，只反射原來入射光的十億分之一。幸好近代雷射技術進步，高功率雷射的發展很快，因此拉曼雷達的發展才得以順利進行。目前已經廣泛使用於偵測大氣中的水氣、臭氧等物質。
另外，分子轉動拉曼光譜則用來探測空氣的溫度。法國的一組科學家，利用轉動拉曼光雷達測量出地表到距地面30公里高空的溫度分布，並用來研究這一區域的大氣動力問題。這一區域的氣象資料，一般是由氣球攜帶探空儀器進行測量。例如中央氣象局每天在板橋發射氣球2次，用來獲得這區域的溫度、風速與溼度等資料。利用拉曼光雷達，每10分鐘就可以得到一次溫度的資訊，因此可以密集探測溫度的變化。在距地面30公里以下大氣溫度的長期或短期的變化，是了解目前地球溫室效應所急需的資料，因此拉曼光雷達等類的技術一定會逐漸受到重視。
溫室效應
地表致熱 最近，二氧化碳等溫室氣體所造成的溫室效應，頗引起世人的注目。根據氣候模式，地球正處於2千年來最熱的溫度。其實，這一上升的幅度並不大，相對於1961-1990年的平均溫度，21世紀（西元2000年）的地面平均溫度，僅僅上升不到攝氏0.2度，雖然如此，我們還是感覺非常不習慣。估計全球的地面平均氣溫，到2100年會上升攝氏1.4到5.8度，根據最近的報導，甚至可能會高到11度。
假如全球都變暖和了，會給人類的生活帶來很大的不方便，例如，2003年8月由於天氣過熱，導致法國上萬人死亡，這一類的事件會逐年增加。其他的相關效應，還有因為全球變暖使格陵蘭和南極區的冰山溶解，由於熱脹冷縮的原因造成海面升高。預期由1900年到2100年間，地球的平均海平面上升幅度，介於0.09到0.88公尺之間。
溫室效應是由於某些氣體的存在，使得紅外線輻射被氣體吸收，而影響到地球整體的能量平衡。從20世紀以來，由於工業化，而釋放出大量的溫室氣體，加強了「溫室效應」的作用。大氣層中的溫室氣體，主要有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯碳化合物等等。
溫室氣體中，尤其以二氧化碳的增加最受注目，因為它對溫室效應的貢獻量最大。二氧化碳的主要來源是燃燒化石燃料，這是人類造成的，每一個人都要對此負責。根據觀測資料，地表大氣層二氧化碳的濃度，已由1950年代的280 ppmv升高到目前的360 ppmv（百萬分之一體積），按照這一趨勢，二氧化碳會在50～100年內升高到600 ppmv，這一個數據，是由加州大學聖地牙哥分校的基林（Charles Keeling）根據多年的觀測首先提出的。
其實大氣層需要有適當的溫室效應，這也是使地球保持在平均溫度攝氏7度左右，而適合生命繁衍的主要原因。但是過度的溫室效應會有很嚴重的後果，這也是造成金星十分不適合生物生存的原因。金星的地表氣壓高達100大氣壓，大氣中主要成分是二氧化碳（占95％），這種特殊的組合造成地表溫度白天達攝氏400度左右，夜晚則冷到攝氏零下70度。
高空致冷 二氧化碳等溫室氣體會使地面附近溫度變暖，但對高空（50～150公里）的影響正好相反，它會使高空變冷，也因為冷卻而使大氣收縮變薄。而且，這一冷卻現象比地面變暖更加顯著。
為何地面會變熱，但高空會變冷呢？地面空氣變熱的原因，是由於二氧化碳吸收地面所發射的紅外線輻射，而保存了這種熱能。但二氧化碳同樣會輻射一部分熱能，因為上層空氣的外部是外太空，所以它發射的紅外線逃逸到外太空一去不回，而由下方來的紅外線卻減少了，因此有淨熱能的損耗，造成冷卻的效果。
高空致冷的效應比地面變暖更加明顯。根據許多分析和模型的計算，在二氧化碳倍增的狀況下，離地50公里高空的溫度可能下降15度，是地面變化量的3～10倍。這一種長期冷卻的初步現象，目前確實已經由雷射雷達及人造衛星儀器觀測到。根據衛星資料顯示，60～70公里高空溫度，在過去1980～1990年間，已經下降了4度左右。
為了測試這一種說法，筆者分析離地17公里處對流層頂的溫度變化。對流層頂是地表溫度最低的地方，我們都知道高山上溫度會變冷，而大氣隨高度升高而降溫的趨勢，一直到離地17公里處才停止，這一個停止點被稱為對流層頂，這個地方的溫度可以達到零下80度。
分析過去11年來（1990～2000年間）對流層頂的溫度與高度，發現的確有顯著的變化。而根據中央氣象局與中央大學比對觀測的結果，顯示過去11年間，17公里處對流層頂的溫度共降低了大約攝氏1.5度，幅度是每年－0.174％。而對流層頂高度有上升的趨勢，增加了190公尺，趨勢是每年 +0.10％。
根據理論分析，對流層頂溫度的下降與溫室效應是相關的。在多年前，我們還把溫室效應看成科學的假說，認為這是在很久以後才會發生的事，但是無數的科學證據指向溫室效應確實可能已經發生了。如果不幸在50或100年後，如科學家所預測的，地面溫度上升攝氏1～5度的情形，後果實在難以想像。當然，還需要更確切的實驗數據，才能使更多的人信服，因為溫室效應不僅是科學家的事，它和國際經濟、社會、政治也息息相關。
雷射的發明已經有40年了，這一段期間由於光學與電子技術的突飛猛進，也使雷射雷達的發展十分迅速。目前，除了地面觀測以外，在衛星上也裝置雷射雷達，由外太空由上而下向地球進行探測。幾年前有一項稱為LITE的計畫，在美國太空總署試驗成功，這計畫是以太空梭攜載雷射設備，在600公里上空向地球發射雷射光，成功地探測了地球的颱風、雲層和氣膠。目前，更新的太空雷射雷達還在計劃當中，由於雷射雷達在天文物理上的應用也很成功，許多大型天文臺也開始設置雷射雷達。
這40年來，地球已面臨很大的改變，因此人類需要更靈敏的探測工具來研究大氣的各種變化，而這些研究也導致臭氧破洞與溫室效應的發現。目前世界各國都不遺餘力地從事大氣與環境的科技研究，以便能把這些問題定量化，在這方面，各種雷射雷達技術會適當地扮演重要的角色。
