美国宇航局为何要向国际空间站发送尘埃扫描光谱仪

周四晚上，NASA 发射国际空间站补给任务，火箭携带的仪器不仅用于研究太空生命或遥远恒星，还用于向地球发送信息。其中包括一组超灵敏的光传感器，用于研究大气中尘埃漩涡的特性。

大气尘埃是地球营养循环中一种强大但尚未完全了解的力量。就像水蒸发、形成云和下雨一样，尘埃有自己的模式。尘埃不断从世界各地的沙漠中卷起，当它沉淀下来时，它为亚马逊雨林提供了养分，滋养了深海中大量海洋生物，并加热了加州山脉上的积雪。

所有这些尘埃都会改变气候。浅色沉积物可以将热量反射回太空，而富含铁的深色尘埃则会吸收热量。今年夏天，当一股撒哈拉沙尘飘过美国南部时，天空变成了橙色，很像野火烟雾造成的雾霾。但沙尘效应的累积结果仍是一个谜。

美国宇航局喷气推进实验室高级科学家、地球表面矿物尘埃源调查（EMIT）项目首席研究员罗伯特格林周三表示：“我们确实不知道矿物尘埃是否会使地球变暖或变冷。”

当 EMIT 的新传感器在国际空间站安装完毕并在几周内准备就绪后，它们将发回超过 10 亿个测量数据，这将使气候科学家首次全面了解地球的尘埃循环。这些数据可能会完善研究人员用来了解地球的基本工具：政府间气候变化专门委员会认为，尘埃的未知影响是造成气候模型与现实存在差异的原因。

在接受《大众科学》的后续采访时，格林解释了传感器的工作原理。

巨大的尘埃间隙

目前，当科学家想要研究大气中的沙尘时，他们必须依靠相当粗糙的工具。卫星可能会捕捉到一些沙尘暴的快照，但它们无法拍摄全球照片。建模者也使用简化的沙尘视图。许多气候模型假设所有沙尘——无论是来自犹他州的白垩盐滩还是赭色撒哈拉沙漠——都是黄色的，只吸收太阳能量的一部分。

2015 年，康奈尔大学的一个团队试图通过融合两组现有数据来对灰尘进行制表。一方面，有一个包含 5,000 个土壤样本的数据库，用于分析其矿物质含量；另一方面，联合国粮食及农业组织制作的全球土壤地图集仅根据土壤的颜色和质地对土壤进行分类。他们的想法是，理想情况下，矿物学家可以将灰尘的颜色和质地与土壤中的实际矿物质相匹配。“我认为这是一种定性研究，但他们需要从某个地方开始，”格林说。

事实证明，这一估计并不准确。首先，5000 个样本中的大多数都来自农田，而不是真正产生灰尘的沙漠。其次，仅根据土壤的形状和阴影很难知道土壤中有什么。但当他们将灰尘成分的预测与现实世界的灰尘样本进行比较时，“他们发现它与测量结果不一致，”格林说。“所以我们真的不知道地表上的矿物质。”

天空之眼

EMIT 将利用光谱法直接测量世界上干燥、多尘的地方，该技术利用从表面反射的光来了解它们的分子内部。

当国际空间站绕地球运转时，EMIT 会将望远镜对准地球表面。入射光将穿过一条狭缝，然后折射成所有组成颜色——EMIT 的传感器可以检测到 12,410 种不同的色带。

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“岩石是由矿物构成的，矿物大体上是不同的分子，这些分子与光的相互作用也不同，”格林说。每种矿物都有不同的光谱指纹。光谱仪不会直接测量大气尘埃——当所有尘埃都漂浮在大气中时，它会扰乱光线。相反，这台机器将聚焦地面，为气候建模者提供足够的信息来重建上方的尘埃云。

在校正大气和植被的影响后，EMIT 可以探测到它扫描的每个 645 平方英尺区域内的沙砾构造块。

不到一年的时间，就可以获得世界沙漠的完整图像，这将完善全球气候模型。但一旦完成，EMIT 的光谱仪就可以用于新的观测。

类似或相同的光谱仪被放置在飞机上，用于研究北美森林的火灾风险、秘鲁雨林的生物多样性、塑料污染源、甲烷羽流和稀土元素的存在。“现在我们把它带到太空，”格林说，观察风中的灰尘只是开始。