看到地球变绿的那两颗卫星

文/李宇飞

▲ 全球绿化趋势

近期，一则来自美国宇航局（NASA）的消息着实让我们兴奋了一把。这则消息称，根据发表在《自然·可持续发展》杂志上以《中国和印度通过土地使用管理为绿化地球作出贡献》为题的一项最新研究，世界比20年前变得更绿了。自2000年到2017年，全球绿叶面积大约增加了5%，大约540万平方公里，相当于一个亚马逊热带雨林的覆盖面积。而最为令人惊讶的是，中国以仅占全球6.6%的植被面积，却贡献了全球25%的绿叶面积增加量，贡献比例居全球首位。这是一项惊人的发现，因为一般认为人口众多的国家，经常会过度开发，导致土地退化，绿化面积减少。

卫星数据为全球变绿研究提供基础

我们知道，目前全球面临的一个重大问题就是人类过量排放二氧化碳等温室气体所导致的全球变暖。科学家在20世纪90年代中期首次注意到了NASA卫星数据中的地球绿化现象。他们开始认为这是由于气候变暖和大气中增加的二氧化碳造成的。2013年，澳大利亚科学家在美国《地球物理研究通讯》上发表文章，证实了二氧化碳施肥效应的存在。科研人员在去除气温、降雨量、光照和土地等可能的影响因素后，发现1982年至2010年间，北美、澳大利亚内陆、中东以及非洲等干旱区域有11%的植物覆盖率增长与这一效应有关。

但是通过长期追踪地球植被覆盖总面积及其随时间的变化情况，科学家们发现人类对于地球的绿化也有巨大的贡献，尤其是中国和印度境内的绿化带最为醒目。最新研究发现，全球1/3的植被正在变绿。叶面积以每10年2.3%的速率增加。全球2/3的变绿量来自森林和农作物，并且人口聚集的温带贡献了全球最多的变绿量。尽管中国和印度仅占全球陆地面积的9%，但中国和印度两国占了1/3的贡献量。尤其需要指出的是，中国变绿的过程中，森林和农用地分别贡献了42%和32%；印度主要是农用地变绿，贡献了82%，森林只有4.4%。

中国和印度的例子告诉我们，人类活动可以直接影响地球的植被面积，人类活动应该被纳入气候模式的研究之中，这样有助于科学家更好地进行地球活动的预测，从而引导人类在解决气候变化和污染问题时，作出更加明智的决策。北半球的大规模植树造林护林活动更加显现了人为因素的重要性。比如在中国，在叶面积指数的增速方面，人为管理的森林增速比没有人为管理的森林增速大53%；在树木覆盖率的增速方面，有人为管理的森林增速比没有人为管理的森林增速大29%。

另外农业效率的提高，也在全球陆地植被变绿中起到了主导地位。农作物贡献了全球1/3的变绿量，且变绿的聚集群与农作产量聚集群高度吻合。人为土地利用管理是全球变绿的主要驱动因素。数据显示，通过一年多季、施肥、灌溉等种植模式，农作物收获的增速远大于农业用地面积的增速。中印两国在农作物产量上的增加尤为明显。相比于2000年，谷物、蔬菜、水果等农作物的产量增加了35%～40%。

全球变绿的结果确实令人兴奋，但仔细想起来，如果没有长期的、全面的对全球绿化情况的观测，获得这样的研究结果基本上是不可能的。而能够年复一年方便地开展这样的工作，就非天上的卫星不可了，尤其是一些专门用于进行全球气候变化监测的卫星，那更是功不可没。NASA卫星长达20年的数据记录，给全球变绿这项研究提供了坚实的数据基础。就让我们来认识一下它们，看看它们所做出的丰功伟绩吧。

“土”和“水”

首先要提到的当然应该是直接为此项研究贡献力量的卫星，那就是NASA的TERRA和AQUA卫星。TERRA在拉丁语中是“土地、地球”的意思，AQUA在拉丁语中是“水”的意思。两颗卫星分别着重对地球土圈和水圈进行观测。

▲AQUA卫星

▲TERRA卫星

随着科学界对全球气候变化研究，以及全球气候变化对人类生存环境影响的研究逐步走向深入，为了加强对地球表层陆地、海洋、大气，以及它们之间相互关系的综合性的科学研究，NASA自1991年起开始了对地观测系统（EOS）计划。这个计划分三个阶段：第一阶段为准备工作阶段（1991－1998年）；第二阶段为全面的对地观测阶段（1999－2003）；第三阶段为新一代更为细致的对地观测阶段（2003年以后10年）。EOS计划重点观测和研究领域包括：水与能量循环，海洋，大气化学，陆地表面，水和生态系统过程，冰川和极地冰盖以及固体地球。

作为EOS计划系列对地观测卫星中的重要组成部分，TERRA和AQUA卫星分别于1999年12月18日和2002年5月4日成功发射，目前均处于正常运转中。

值得一提的是，TERRA卫星的名字还是由一名高中生起的呢。那是1998年春天，即卫星发射的前一年，由NASA和美国地球物理联合会共同发起了卫星命名征集活动。征集的范围限制在全世界8～12年级（初中二年级至高中三年级）的学生。最终密苏里州圣路易斯市高中三年级学生萨沙·琼斯用她那充满了对地球母亲无限感激、热爱和高度责任感的字句，感动了评选委员会的全体评委。萨沙及其父母因此获得了到卫星发射基地观看卫星发射过程的全部资助，萨沙所在的学校也因此获得了一台计算机和可以获取TERRA卫星影象数据的全套软件。

TERRA卫星是美国、日本和加拿大合作发射的卫星。TERRA卫星的发射成功标志着人类对地观测新的里程的开始。NASA在介绍TERRA卫星意义时采取的比喻是：“如果把地球比作一位从来没有做过健康检查的中年人的话，TERRA就是科学家对具有45亿年历史的地球的健康状况第一次进行全面检查和综合诊断的科学工具。”

TERRA沿太阳同步极地轨道运行，高度为705公里。它在早上当地同一时间经过赤道，此时陆地上云层覆盖为最少，它对地表的视角的范围最大。TERRA的轨道基本上是和地球的自转方向相垂直，所以它拍摄的图像可以拼接成一幅完整的地球总图。通过分析这些图像数据，有助于科学家认识全球气候变化的起因和发展，了解地球气候和环境是如何作为一个整体相互发生作用的。由于TERRA卫星在每日地方时上午10：30时过境，因此也把它称作地球观测第一颗上午星。

▲ 加州火灾图像

TERRA卫星上共载有5个对地观测传感器，能同时采集地球大气、陆地、海洋和太阳能量平衡等信息，它们分别是：云与地球辐射能量系统测量仪，中分辨率成像光谱仪，多角度成像光谱仪，先进星载热辐射与反射测量仪，对流层污染测量仪。

2002年发射的AQUA卫星是美国、日本和巴西合作的多功能地球观测卫星，主要承担获取关于地球水循环信息的任务，包括海洋海水蒸发、大气中的水蒸气、云层、降水、土壤水分、海冰、陆冰，以及陆地上的积雪和冰的各种数据和信息。AQUA卫星在数据采集时间上与TERRA形成补充。它也是太阳同步极轨卫星，每日地方时下午1：30过境，因此称作地球观测第一颗下午星。

AQUA卫星上共载有6个对地观测传感器，分别是：云与地球辐射能量系统测量仪，

中分辨率成像光谱仪，大气红外探测器，先进微波探测器，巴西湿度探测器，地球观测系统先进微波扫描辐射计。

品质卓越的载荷

从TERRA和AQUA两颗卫星的传感器配置来看，它们都配备了中分辨率成像光谱仪MODIS，这就是本次全球变绿研究数据的主要来源。MODIS是美国EOS计划中用于观测全球生物和物理过程的重要仪器，用于获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。

MODIS可以用36个光谱波段获取图像数据，光谱范围为0.4微米～14.4微米，辐射分辨率达12位，其中2个通道的空间分辨率达250米，5个通道为500米，另29个通道为1000米。利用这些光谱数据，可以获得地表反射率、地表温度、地表覆盖、植被指数、温度异常/火产品、叶面积指数光合有效辐射分量、总初级生产力等数据。

▲ 斯瓦尔巴群岛消失的海冰

在TERRA和AQUA卫星的配合下，TERRA在地方时上午过境，AQUA在地方时下午过境，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数据来说可以得到每天最少2次白天和2次黑夜的更新数据。这样高的数据更新频率，对实时地球观测和应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）有极大的实用价值。

2018年，NASA决定将TERRA和AQUA这两颗卫星从初次运行到如今获得的近20年地球影像资料全部公开，公众可在个人电脑上方便地浏览和探索地球的沧桑巨变。许多可用的图像都在观测3小时内更新，基本上显示了整个地球当下的样子。

地球观测正在人类生产生活诸多领域发挥着越来越显著的作用。通过对地球环境的持续关注和研究，我们将更好地回答全球气候变化问题，更全面、深刻地了解自然和人类对全球环境变化所起的作用；长期积累的各项数据及对其的分析，也将为经济社会建设、灾害预测应对、资源开发利用等提供必要的支持。

此次全球变绿的研究必须要感谢TERRA和AQUA两颗卫星的长寿，因为它们本来的设计寿命只有6年，却一直坚持工作了近20年，这才为我们提供了如此全面的反映地球持续变化的宝贵数据。

其他卓越功绩

火灾监测

利用TERRA和AQUA卫星上一些波段的图像数据，可以获得地表温度异常的情况。联合国粮农组织就利用这些数据，启用了一套名为“全球火灾信息管理系统（GFIMS）”的新型在线火灾监测系统，可以帮助消防人员及自然灾害管理人员更快速地做出应急响应，并改善资源管理。

该系统利用一个免费的网络接口，将TERRA和AQUA卫星上的图像传感器采集到的火灾数据绘制成火灾地图和图像，并进行每日更新。一旦卫星运行过某个发生火灾的区域，三小时内该系统就可以向相关人员发出预警电邮，详细告知火灾的位置和严重程度。该系统的核心就是MODIS，它每一到两天对全球进行一次扫描，寻找基于火灾热辐射的火焰亮度等典型标记，剔除由热带沙漠等造成的错误信息，然后将遥感测得的火灾数据传送回NASA戈达德空间飞行中心的MODIS快速响应小组，再由小组成员对数据进行处理，最后绘制成动态的火灾图像。

2018年11月8日，几乎就是在同一天之内，美国加州连续发生了多场大规模的山林大火，其中尤以北加州的Camp Fire和南加州的 Woolsey Fire最为严重。在大火发生之后，TERRA卫星就投入到了火情的监控之中，利用所载的MODIS拍摄了发生在萨克拉门托谷地Camp Fire的自然彩色图像。有了这些卫星数据，研究人员借助烟雾模型分析，分析出烟雾还在继续向西扩散。

海冰监测

2016年3月14日，AQUA卫星上的MODIS为北极中部地区拍摄了第一张 “可视”卫星图像，呈现了这一天位于该地区斯瓦尔巴群岛北部的“真实色彩”。

研究人员通过卫星图像对斯瓦尔巴群岛的海冰状况进行了观察和估量，发现海冰在逐年减少。他们推测，弗拉姆海峡、巴伦支海和格陵兰海等地区的高温和强风对海冰消失有潜在影响。