中科院遥感地球所 窦长勇

回顾刚刚过去的2015年，深空探测领域发生了很多值得关注的事件，如美国NASA宣布找到了第二个地球（开普勒452b）、“新视野号”飞越冥王星获得了宝贵的探测数据、NASA宣布发现火星现存液态水和火星大气消失之谜、我国宣布嫦娥四号计划于2018年发射，将在月球背面软着陆……这些惊喜的新发现背后都是动辄几十亿人民币的项目支撑，在兴奋与惊讶之余，人们未免会问，烧钱的深空探测目的和意义何在。

其实，深空探测的意义不外乎两大类：（1）满足人类的求知欲望，探索宇宙起源；（2）一旦地球发生灾难性事件，寻求避难所，以延续人类的火种。然而， 地球仍然是人类的唯一家园。无论是在系外行星中寻找宜居的“第二个地球”，还是在月球或火星等天体建立太空基地，都是很遥远的事情。从这个角度讲，我们更应该关注如何保护地球，使我们的家园变得越来越美好，把这个代代相传的“稀世珍宝”保护好、建设好。

深空探测除了探测太阳系各类天体之外，对保护地球到底有何裨益？这就是本文要阐述的月基和深空对地观测。

目前，从太空观测地球主要集中在近地轨道卫星上，配合航空、探空气球和地面测量等对地球进行系统观测与研究。实践表明，星—机—地观测平台只能对地球上有限区域的科学现象进行短暂观测，难以满足全球尺度、长周期动态变化的要求。而月基对地观测恰恰可以弥补这一短板，早在2009年，中科院遥感地球所郭华东院士提出了利用月球作为对地观测平台用于全球变化研究的设想，即“全球变化月基观测”。

月球是地球的唯一自然卫星，是一个稳定的对地观测平台，有一面总是朝向地球，既能满足对地球上的同一地区进行长时段、可变视角的快速观测，也能同时提供地球半球的全景观测数据。在月球上布设多种类型的遥感器，可实现多载荷对地球进行高时间和空间一致性的观测，这样可以把地球当作一个整体系统来进行观测和研究。将观测平台安放在月球上，建立持续的地球全球观测能力，对观测和研究长期连续的大区域全球变化和宏观地球科学现象具有重要意义。目前，月基对地观测已经获得国家自然科学基金委重大项目的支持，中科院遥感地球所将联合国家天文台、测地所和西安交通大学开展此方面的研究工作。

图 1. 月基观测与普通星载观测成像条带比较

除了在月球上建设对地观测平台外，进行深空探测的航天器也可以提供对地观测数据（虽然并非其主要功能）。如：1972年12月7日阿波罗17号在4万5千公里的高空拍摄了地球半球的全景影像（图2）；2009年发射的月球勘测轨道器（图3）在2015年10月12日在掠过月球表面时也获得了地球半球的全景影像（图4）。月球勘测轨道器主要探测月球表面环境及地形，已经获得分辨率优于1米的全月球影像，并可以通过调整姿态来获取对地球的观测数据。

由于现有的绕月轨道探测器上都没有携带专门针对地球观测的遥感器，在月球基地没有建成，月基对地观测条件尚不具备的情况下，通过绕月轨道卫星平台搭载对地观测传感器不失为一种折中的选择，既可以提供从月球对地球进行观测的数据，也为月基对地观测方法理论提供前期的实践经验。

图 2. 阿波罗17号拍摄的地球半球全景影像

图 3. 月球勘测轨道器（Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO）

图 4. 月球勘测轨道器在月球轨道拍摄的地球全景影像

在深空对地观测方面，2015年2月11日发射的深空气象观测台（Deep Space Climate Observatory, DSCOVR）上搭载的地球全色成像相机（The Earth Polychromatic Imaging Camera,EPIC）已经获得了对地观测数据。DSCOVR是部署在拉格朗日1点（L1）上的深空探测卫星，L1是地球和太阳的5个引力平衡点之一，距离地球大概1.5×10⁶公里，部署在此点上的卫星处于引力平衡状态，可以节省维持轨道所需的燃料消耗，具有稳定的工作平台和长期观测能力。DSCOVR卫星的主要科学任务是观测太阳风并预警太阳风暴，测量地球反射的太阳能量和地球自身辐射的能量，并拍摄地球被太阳照射面的半球全景影像。DSCOVR卫星搭载的EPIC传感器专门用于深空对地观测，拥有从紫外到红外的10个波段，可对地球的臭氧、气溶胶、云层、植被以及陆地表面热点等进行观测。2015年7月6日，EPIC传回了第一批地球全景影像（图6），分辩率达25-35公里，对全球范围大尺度地球宏观现象研究有一定的科学价值。由于L1点离地球的距离约为地月距离的三倍多，如果从月球上观测地球，将会获得更高的分辩率和更有价值的对地观测数据。

图<span style=";padding: 0px;font-size: 16px;overflow-wrap: break-word" new="" roman";="" zh-cn;mso-bidi-language:ar-sa"="" minor-latin;mso-fareast-font-family:宋体;mso-fareast-theme-font:minor-fareast;="" mso-bidi-theme-font:minor-bidi;mso-ansi-language:en-us;mso-fareast-language:="" mso-hansi-theme-font:minor-latin;mso-bidi-font-family:"times=""> 5. 深空气象观测台卫星部署位置（a）及其所携带的传感器（b）

图 6. 地球全色成像相机传感器从拉格朗日1点2015年7月6日拍摄的地球全景影像

随着航天技术的进步，航天器进入太空的门槛将逐渐降低，人类探索未知世界的行动将逐渐加快更强烈，目前已有越来越多的国家加入到深空探测的行列中。在进行深空探测的同时，我们也可以为共同的蓝色家园做些贡献，这也是深空探测的重要目的之一。相信随着我国深空探测的发展，月基与深空对地观测技术也将会发挥越来越大的作用。