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大型食肉动物灭绝，生态系统会崩溃？
作者：贾伟发布时间：2022-09-26强大的生态系统没那么脆弱
或因其体型庞大，亦或是人类本身处于食物链顶端，我们对同处于食物链较高位置的大型食肉动物会有更多关注。因此，相比于小型且食草的动物来说，我们下意识认为大型食肉动物在生态系统中会更加重要。人们不禁思考，如果大型食肉动物灭绝，生态平衡是否会被打破，生态系统最终是否会不可修复，走向崩溃？
图片来源：veer图库在相同营养级的物种间可被替代
生态系统中的生物与生物之间，生物与无机环境之间通过能量流动、物质循环和信息传递使其处于动态平衡。同时，生态系统具有保持自身稳定的能力，一般认为其食物网越复杂，其自我恢复的能力越强。
在较稳定的生态系统中，某一物种的灭绝，可以通过其他具有相似物种进行替代，如在草原生态系统中，当大型食肉动物猎豹灭绝，食草动物瞪羚数量短时间就会急剧增加，草的数量也会急剧减少；如果除了猎豹以外还有另一种食肉动物（比如狼）的存在，那么猎豹一旦绝灭，狼就会增加对鹿的捕食压力，而不致使鹿群发展得太大，从而就有可能防止生态系统的崩溃。
狼和猎豹正在捕猎（图片来源：veer图库）事实上，狼与猎豹可以处于食物网中同一营养级，相同营养级的不同物种具有相同的“作用”，因此猎豹灭绝，便可以由狼来“替代”。详细来讲，位于同一营养级的不同物种均能完成相同程度的生态系统中的物质循环、能量流动和信息传递功能。
回到最初的假设，我们如果能够找到能代替大型食肉动物在生态系统中完成相同程度的物质循环、能量流动和信息传递功能的其他事物，或者大型食肉动物的灭绝不会通过影响这三大功能来破坏生态平衡，那么我们就认为生态系统不会因大型食肉动物的灭绝走向崩溃。
在能量流动过程中可被替代
因此，就能量流动而言，能量流动是单向的，只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级，不可逆转，也不能循环流动；能量在流动过程中逐级递减，相邻两个营养级间的传递效率大约是10%～20%。
所以，真正被大型食肉动物获取的能量少之又少，多数能量还是集中在物种的最底层，即绿色植物和食草动物之间。也就是说，即使大型食肉动物相继灭绝，能量流动的过程是几乎不受影响的。大型食肉动物在能量流动过程中可以被替代。
地球上的能量几乎都来源于太阳（图片来源：veer图库）
同时，生态系统的物质循环指的是组成生物体的C、H、O、N、P等元素，不断进行着从无机环境到生物群落，再到无机环境的循环过程。例如碳元素主要以二氧化碳的形式凭借绿色植物的光合作用从无机环境进入生物群落，然后在生物体之间以食物链和食物网传递，最后又以生物的呼吸作用或分解者的分解作用从生物群落进入大气。
如果大型食肉动物相继灭绝，只是生物的呼吸作用会受到一定影响（比如草原生态系统上的猎豹灭绝，瞪羚的数量增加导致呼吸作用相应增大），对分解者的分解作用影响甚微，所以生态系统的物质循环也基本无影响，大型食肉动物在物质循环中可以被替代。
物质循环（图片来源：全景网）
对生态系统信息传递影响甚微
最后，就信息传递而言，大型食肉动物灭绝后，生态系统的信息传递格局会改变，但总体并不会受到太大影响，因为捕食者没有了，就没办法传递给食草动物其捕食者的物理信息和行为信息，食草动物的警觉就会下降，但是警觉下降并不会让自身的生存受到威胁，所以大型食肉动物灭绝就算影响了生物之间的信息传递，但也不会让生态系统崩溃。
对于可能担心的草食动物等其他动物数量泛滥问题来说，捕食只是限制其数量的一个因素之一。限制动物种群数量增长的包括内源性和外源性因素，捕食只是外源性因素之一，外源性因素还包括疾病、寄生、自然灾害、食物限制等，内源性因素包括领域行为、内分泌调节等，这些行为由于捕食者是突然消失短时内也不会改变，这些因素都会限制其他物种数量的增长。
死亡的鹿 （图片来源：veer图库）综上所述，从“崩溃”的角度来说，就算所有大型食肉动物都灭绝，生态系统也不会完全崩溃，菌类通过漫长的进化后也可以使生态再度恢复到一个我们现在完全不认识的模样。即使动植物全部没有了，细菌也能继续维持地球生物圈的活跃，况且“大型食肉动物灭绝”并不会引起多少动物灭绝，作为食物的食草动物的数量也可以被病原体、寄生虫和人控制。
参考文献：
[1] Justine L. Atkins, Ryan A. Long, Johan Pansu, Joshua H. Daskin, Arjun B. Potter, Marc E. Stalmans, Corina E. Tarnita, Robert M. Pringle. Cascading impacts of large-carnivore extirpation in an African ecosystem[J]. Science,2019,364(6436).
[2] Hoeks Selwyn, Huijbregts Mark A. J., Busana Michela, Harfoot Michael B. J., Svenning JensChristian, Santini Luca. Mechanistic insights into the role of large carnivores for ecosystem structure and functioning[J]. Ecography, 2020, 43(12).
出品：科普中国
作者：贾伟
监制：中国科普博览
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10月“梦天”起航，30年“天梦”成真
作者：冰结向日葵发布时间：2022-10-31浩瀚星河，“梦天”圆梦
在祖国的南海之滨，东方的巨龙再次迸发出怒吼。随着烈焰划过长空， “梦天”实验舱也航向了它的目的地：“天宫”空间站。
作为“天宫”空间站的第二个实验舱，“梦天”实验舱和三个月前发射的“问天”实验舱在结构上近似，都呈现了“大头尖、下部圆”的特点，最大直径均为4.2米，高度均为17.9米，质量均超过了23吨，从上往下也都是资源舱、气闸舱和工作舱的布置。
“天宫”空间站三个主要舱段的结构（图片来源：作者提供）
“梦天”：更大型的气闸舱，更专业的实验室
“梦天”的资源舱大体和“问天”实验舱类似，其上也布置了大尺寸的柔性太阳翼和通信天线。而“梦天”和“问天”的最大区别就在于中间的气闸舱。尽管“问天”气闸舱的出舱舱门直径大了“天和”核心舱的出舱舱门一圈，然而“梦天”货物气闸舱的出舱舱门面积比“问天”的还要大，能够进出更大尺寸的载荷（表1）。
表1 “天宫”空间站气闸舱基本情况
“问天”和“天和”的气闸舱舱门便于航天员出入，但航天员只能携带较小尺寸的物品出入，不便于大量部署舱外载荷。而“梦天”的货物气闸舱不仅具有巨大的舱门，让大尺寸、大质量的载荷的进出舱成为了可能，而且货物气闸舱内还具有一个自动转移机构，可以自动将载荷转移到舱外，再配合空间站的大小机械臂，无需航天员出舱即可完成载荷的部署，极大提升了效率。
不过，正如货梯一般不用来运输人员一样，“梦天”的货物气闸舱一般也用于进出货物，航天员进出舱仍然主要通过“问天”气闸舱实施。即便“问天”的气闸舱出现了无法工作的现象，航天员需要应急返回，也主要前往更近的“天和”气闸舱避险。
“梦天”的气闸舱不仅可以实现大质量货物的进出，还自带可展开的舱外暴露实验平台，它也将在“问天”暴露实验平台基础上更进一步，再次拓展人们在太空开展暴露实验的可能，能够让人们有更多的机会来研究外太空的辐射环境对材料、生物、设备等影响，进一步了解空间环境产生的各种效应。
“问天”和“梦天”的舱外暴露实验平台也有一定的区别（图片来源：作者提供）
和“问天”实验舱相比，“梦天”实验舱的实验功能得到了特化，它没有位于“问天”实验舱的3个睡眠区和1个卫生区，因此多出来的空间可以部署更多的大型实验机柜。这让“梦天”实验舱在轨开展实验的能力更加强悍，也将进一步提升“天宫”空间站的整体科学产出。
空间站常态化运行：让这一中国人的太空家园行稳致远
“梦天”实验舱已然起航，它将在未来几个小时内，和“天和”核心舱的前向对接口对接。而对接完毕的“梦天”实验舱也将和“问天”实验舱一样，将在未来的一段时间内，在天地协同作用下实现转位，最终部署在“天宫”空间站的第二个停泊口，让“天宫”空间站的整体呈现“T字”的基本构型。此时，“天宫”空间站的总重量将达90吨（以空间站三舱+一载人飞船+一货运飞船计），达到我国空间站的第一个建设里程碑。
“天宫”空间站的“T字”布局（图片来源：作者提供）
即便是建成了“T字”的空间站，也并不是一成不变的。
“问天”和“梦天”实验舱体积庞大，有阻挡“天和”核心舱太阳翼的可能。为了避免实验舱舱段对“天和”太阳翼的阻挡，“问天”和“梦天”的太阳翼桁架顶端预留了“天和”太阳翼的挂点。未来，航天员将通过执行两次出舱任务，拆下“天和”核心舱的太阳翼，随后安装在实验舱上。在太空中拆装大尺寸、大质量的载荷，将是航天员们未来面临的重要挑战。
“天和”核心舱的太阳翼将安装到两个实验舱上（图片来源：作者提供）
不只是空间站舱外，来自空间站舱内的挑战也同样巨大。“梦天”实验舱带来了更多的科学实验机柜，这些实验机柜不仅数量繁多，种类也各不相同，航天员的工作量将变得十分繁重。因此，未来飞行乘组的组员也将增加载荷专家和工程师，他们将基于自身丰富的科学研究和工程技术经验，更高效地使用空间站的各类实验机柜，为我们进一步揭示太空环境给物理、化学、生物过程带来的影响。
在“梦天”核心舱发射之后，“神舟十五号”载人飞船也将启程，和“神舟十四号”的乘组在太空会师。届时，太空中也将出现6名中国人的身影。而这也将宣告着空间站实现常态化运行。每6个月一次的乘组轮换，每8个月一次的货物上行，都将源源不断地助力着“天宫”空间站，让这一中国人的太空家园行稳致远。
“天宫”空间站的建设也远远没有结束。随着“天和二号”核心舱的披露，空间站的扩建工程也将提上议事日程。“天和二号”的核心舱的构型与“天和”核心舱完全一致，也将具备停泊两个实验舱的能力，或许在几年后，一个具有6个主要舱段，重逾180吨的完全体“天宫”空间站将在太空中驰骋，为全球的科研人员提供服务，拓展全人类的知识边界。
自1992年起中国载人航天工程立项至今，已然过去了30年。进入而立之间的中国载人航天事业正值当时。从更长远的未来回望今天，或许空间站也仅仅是个开始。从地球出发，我们也终将走向更辽阔而壮丽的星辰之中。
出品：科普中国
作者：冰结向日葵
监制：中国科普博览
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地球漏的这个洞，终于要被补上了？
作者：半懒不懒发布时间：2022-09-22保卫臭氧层，现在进行时
提起“臭氧层空洞”，你是不是会想到南极？这个在南极上空的大气臭氧层上意外发现的空洞，改变了人们的生活，并帮助确立了一项成功的全球环境政策。
“等等，南极臭氧层空洞难道不是上个世纪的遗留问题了么，我小学就听老师讲过了”“这么久不被提起，是不是已经修复了？”
其实不然，保护臭氧层，依然是进行时。
臭氧层到底在哪里
在地球诞生40亿年后，随着大气中氧含量的增加，臭氧层慢慢建立。这平铺在地表上不过2.5（2.45）mm厚的薄层，——大约是两个半叠起来的硬币，却吸收了到达地球的90%以上的紫外线辐射（波长在180～280nm），同时它将吸收的紫外线转化为热能加热大气，才有了平流层（距离地表约10-50km）的存在。在平流层中，臭氧在阳光的作用下不断重复着生成和破坏的化学反应。
臭氧浓度并不是垂直均匀分布的，它随海拔高度而变化。臭氧浓度最大值（0.0015%）出现在海拔30到35公里之间。其水平分布也不均匀，在世界三极地区，即南极、北极和青藏高原由于气候寒冷，臭氧层更加稀薄。
臭氧浓度垂直分布 图片来源：NASA
臭氧层对我们有多重要？
臭氧层是地球生物进化的“保护伞”和“护航者”。臭氧层可以吸收大部分紫外线辐射，屏蔽所有能量最大的UVC辐射，大部分UVB辐射，以及约一半的UVA辐射。在臭氧层的庇护下，地球生命的基础物质——脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)逃脱了紫外辐射的“魔爪”，生命得以向浅海和陆地发展。随着生命多样性的增加，才有了人类出现。
而臭氧层的损耗增加了到达地球表面的紫外线，特别是中段紫外线的数量，可能导致皮肤癌和眼睛损伤等一系列健康问题。不仅如此，UVB辐射还影响植物的生理和发育过程，使得浮游植物的产量直接减少，影响海洋生物的繁殖发育，从而对整个海洋食物链产生影响。同时，它影响陆地和水体的生物地球化学循环，我们生产生活中需要的建筑材料也会随着UVB的增加而加速分解。可以说，臭氧层的持续损耗造成的损失是难以估量的。
既然臭氧层遍布全球，人们是怎么发现南极出现一个大窟窿的呢？
南极上空的臭氧层空洞 图片来源：NOAA 谁发现了臭氧层空洞
最初，制冷和空调系统使用的制冷剂是易燃有毒的。20世纪30年代初，小托马斯 米基雷（Thomas Midgely Jr.）带领团队研发出了无毒、且不易燃的制冷剂替代品-氯氟烃（CFCs），便宜好用，深受欢迎。到20世纪70年代初，全球范围内氯氟烃的年产量达到了近100万吨，在化学工业中占了大约5亿美元的份额。
1974年，科学家马里奥 莫利纳（Mario Molina）和舍伍德 罗兰德（F. Sherwood Rowland）发表了一篇论文，指出CFCs虽然对人体无害，但可能破坏地球平流层的臭氧。这一发现遭到了产业界的攻击，研究也受到了科学家的质疑。
1985年，英国南极调查局的三位大气科学家乔 法曼（Joe Farman）、布莱恩 加德纳（Brian Gardiner）和乔纳森 尚克林（Jonathan Shanklin）在《自然》杂志发表论文，首次证实了臭氧洞的存在。
他们发现南极哈雷（Halley）站和法拉第（Faraday）站上空平流层臭氧水平出现了意料之外的大幅下降。他们的数据显示，经过大约20年的稳定后，臭氧水平在20世纪70年代末左右的南方春季月份开始下降。到1984年10月，哈雷站上空平流层的臭氧层只有前几十年的三分之二厚，乔 法曼等人大胆地认为这与人类使用的CFCs有关，这种化合物由于无毒便宜经常用于气雾剂罐和冰箱等冷却设备。这一现象后来被称为南极臭氧空洞。
1979-2012年观测到的臭氧层空洞范围变化 图片来源：NASA
很快的，1986年，美国国家海洋和大气管理局的研究员苏珊 所罗门（Susan Solomon）带领科学家们通过建立大气模型，终于解释了CFCs影响臭氧层的化学机制。
通过10年的不断努力，科学家们最终确定CFCs的氯是造成南极臭氧损失的最主要原因，极地涡旋和极地平流层云冰粒的存在加速了这一过程，并且在北极也发生了同样的化学反应。实际上不止是两极，臭氧趋势委员会于1988年发布的一个报告证实臭氧损耗全球都存在。至此，臭氧层空洞及背后的秘密终于被揭开，这一发现震惊了世界。因“对大气化学的研究工作，特别是臭氧的形成与分解”，莫利纳和罗兰德获得了1995年诺贝尔化学奖。
1995年获得诺贝尔化学奖的三位科学家 图片来源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline
臭氧层空洞，是个洞么？其实不是
臭氧层空洞，听起来就像是臭氧层漏了个洞？这个洞到底有多大呢，我们又是怎么判定的？
臭氧观测的主要方式 图片来源：NOAA
每天，科学家会通过站点仪器监测臭氧的变化，还会通过气球、飞机和卫星探测不同高度上的臭氧含量。
科学家正准备放探测气球 图片来源：NOAA
臭氧空洞并不是指某个地区上空完全没有臭氧，也并非是一直都存在，而是指在南半球的春天(8月-10月)开始时，发生在南极上空平流层的一个臭氧异常消耗的区域。南极臭氧层空洞最大的时候曾达到2950万平方公里，相当于3个中国的面积。
臭氧层到底有没有“洞“，其实是总臭氧柱说了算。
南极上空的臭氧层空洞 图片来源：NASA
臭氧空洞的面积是根据总臭氧柱图确定的，科学家以220多布森(DU)为单位来判定。
多布森(DU)是测量臭氧总量的单位，以英国物理学家和气象学家戈登 多布森（Gordon Dobson）的名字命名。如果把所有的臭氧放在一个从地球表面一直延伸到太空的空气柱中，把所有的臭氧放在标准温度(0摄氏度)和标准气压(1013.25Pa，或一个大气压，用atm表示)下，它等于在标准大气状态下千分之一厘米臭氧层的厚度。300DU标态下表示单位面积上有3mm厚臭氧，而这正是地球上空臭氧的平均总量值。
之所以选择220DU为判定标准，是因为在1979年以前的南极洲历史观测中，没有发现臭氧总量低于220多布森单位。此外，从对南极洲上空的直接测量结果来看，臭氧水平低于220多DU是氯和溴化合物造成臭氧损失的结果。被220DU线包围的区域计算出来的，就是被公布的臭氧空洞的面积。所以，臭氧层空洞根本不是一个洞，而是臭氧含量的低值区。
臭氧层修复行动
从1986年确定发现CFCs破坏了臭氧层到全球人类自发决定采取行动修复它，可以说是气候行动主义历史上最快速也是最成功的故事之一。
1987年《蒙特利尔议定书》落定 图片来源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline
1987年9月16日，美国和其他45个国家签署了《蒙特利尔议定书》，议定书承诺各签署国逐步淘汰损害臭氧层的卤化化合物，包括氯氟烃、氟氯烃和含溴碳氢化合物，以降低大气中的氯和溴水平，并减轻进一步的臭氧消耗。我国于1991年加入议定书。到今天，已有197个国家批准了这项条约。这是联合国历史上第一个被普遍通过的条约，这一天也在全球范围内被标记为国际臭氧层保护日。
随着科学家对臭氧消耗物的深入了解，2016年10月15日，卢旺达基加利通过了《基加利修正案》，将氢氟碳化物（HFCs）这一人工合成的强温室气体纳入《蒙特利尔议定书》管控范围，我国也于2021年成为该修正案第122个缔约方。正是在全世界人们的共同努力下，超过98%的臭氧层消耗物被淘汰。
2016年，苏珊 所罗门和她的同事发表在science上的研究提出，在《蒙特利尔议定书》生效近30年后，南极臭氧空洞终于出现了消失的迹象，南极洲上空的臭氧量已经开始增加。
自2000年以来，9月（臭氧层空洞最明显的月份）检测到了臭氧柱数量的增加，臭氧浓度垂直剖面的变化，以及臭氧空洞面积的减小。通过利用数值模式模拟地球变化，他们直接证实了《蒙特利尔议定书》的作用。观测结果与模式预测相符，超过一半的空洞减少可以归结为大气中氯的减少。
美国国家航空航天局(NASA)联合主席保罗 纽曼(Paul Newman)也表示:“如果不采取这些措施，到2065年，臭氧层的三分之二将被破坏。”NOAA研究指出，如果今天大气中氯氟烃的氯含量和本世纪初一样高，那么在同样的天气条件下，2021年的臭氧空洞可能会扩大约400万平方公里。
这张图描绘了自1979年至今臭氧消耗高峰季节南极臭氧空洞的平均范围，可以发现该范围已经呈现下降趋势。 图片来源：NOAA
一切看起来都在向更好的未来前进。那么，南极臭氧层空洞到底什么时候才能完全修复呢？
联合国一份报告认为，如果一切按计划进行，到21世纪60年代，臭氧层空洞可能会被修复。在其他臭氧消耗不那么严重的地区，恢复正常可能会更快。北极和北半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪30年代达到这个水平，而南半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪中叶达到上世纪80年代的水平。
故事仍未结束
需要指出的是，协议要求CFCs在20世纪90年代停止生产，这意味着即使在完全停止生产CFCs很长一段时间后，使用CFCs制冷的旧设备被处理或销毁的过程中，CFCs排放仍将继续向大气中提供极具破坏性、寿命长的气体。由于其寿命为50到100年，所以20世纪70年代和80年代产生的氯分子仍在大气中存在。而到目前为止，我们依然可以在北极、在热带发现臭氧层空洞现象。但是不可否认的是，在大家的共同努力下，故事在慢慢往更积极乐观的方向发展。
从太空中看到的地球大气层 图片来源：NASA
在今天，我们依然提起臭氧层空洞和臭氧层保护，是为了提醒大家，一个新的艰难挑战正摆在我们面前——全球变暖。
虽然臭氧消耗和全球变暖是两个不同的问题，但同一个大气使得他们交织在一起——许多臭氧消耗化合物也是导致全球变暖的温室气体。部分研究认为，温室气体导致的变暖加剧改变了大气中的行星环流，从而导致热带地区臭氧减少，北极和中纬度地区臭氧增加。
但正如卡罗门所说：“臭氧层保护给了我们希望，我们不应该害怕解决面临的大型环境问题。”在30年前，我们就可以团结一心保护臭氧层，那么我们有理由相信，人类有能力，并且有希望，通过全球协作解决人类共同面临的气候环境问题。
我们始终需要科学的指引。因为“科学不会告诉我们该做什么，但会告诉我们这么做或那么做的结果。是否要为气候变化采取行动不是靠科学家来说的，而是一种社会责任，是道德问题。”（马里奥 莫利纳）
参考文献：
[1] https://www.weforum.org/agenda/2018/04/is-earth-s-ozone-layer-still-at-risk-5-questions-answered
[2] https://www.epa.gov/ozone-layer-protection/health-and-environmental-effects-ozone-layer-depletion
[3] https://www.nature.com/articles/d41586-019-02837-5
[4] https://svs.gsfc.nasa.gov/3586
[5] https://www.sciencemag.org/news/2020/10/nobel-laureate-who-helped-save-ozone-layer-dies
[6] https://www.sciencehistory.org/historical-profile/susan-solomon#:~:text=The%20Montreal%20Protocol%20and%20Beyond
[7] https://climate.mit.edu/posts/3-questions-susan-solomon-plugging-holes-ozone-layer-and-climate-policies
[8] https://news.un.org/en/story/2019/09/1046452
[9] https://www.noaa.gov/news/antarctic-ozone-hole-is-13th-largest-on-record-and-expected-to-persist-into-november
[10] https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/cfcs-ozone.html
[11] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9504830
[12] Rousseaux, MC, Ballare, et al. Ozone depletion and UVB radiation: Impact on plant DNA damage in southern South America[J]. PROC NAT ACAD SCI USA, 1999.
[13] Proffitt M H , Steinkamp M J , Powell J A , et al. In situ ozone measurements within the 1987 Antarctic ozone hole from a high-altitude ER-2 aircraft[J]. Journal of Geophysical Research, 1989, 94(D14):16547.
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[15] Jones A E , Shanklin J D . Continued decline of total ozone over Halley, Antarctica, since 1985[J]. Nature, 1995, 376(6539):409-411.
[16] Solomon S , Ivy D J , Kinnison D , et al. Emergence of healing in the Antarctic ozone layer[J]. Science, 2016, 353(6296):269-274.
作者单位：中国科学院大气物理研究所
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现代的“夸父”卫星如何逐日？
作者：王铮发布时间：2022-10-17向着太阳的方向前进！
2022年10月9日7时43分，我国在酒泉卫星发射中心采用长征二号丁型运载火箭，成功将“夸父一号”发射升空，且卫星顺利进入预定轨道。
“夸父一号”发射景象 （图片来源：新华社）
用了夸父这样的名字，朋友们很容易就能想到一个咱们的神话故事——夸父逐日。
神话中的夸父
神话中的远古时候，有一群力大无穷的巨人，他们的首领叫做“夸父”。有一年的天气非常热，火辣辣的太阳直射在大地上，烤死庄稼，晒焦树木，河流干枯。酷热让人难以忍受，夸父族的人纷纷死去。看着痛苦不堪的族人，夸父决心捉住太阳，让大家的生活回归正轨。
夸父追逐太阳，一路追赶到太阳落下的地方。跑了这么久又累又被太阳烤，他感到口渴想要喝水，喝干了黄河、渭河的水，但这两条河的水还不够他止渴，于是他又出发去喝北方的大湖水，但夸父还没有到达大湖，就在半路渴死了。他死后，手中的手杖遗弃下来，化作了桃林，这片桃林终年茂盛，为往来的过客遮荫，结出的鲜桃，为勤劳的人们解渴。
这段故事的原文是《山海经 海外北经》：“夸父与日逐走，入日。渴欲得饮，饮于河渭，河渭不足，北饮大泽。未至，道渴而死。弃其杖，化为邓林。”
人教版小学语文课文配图的夸父逐日 （图片来源：教材扫描）
神话小故事中定义了“夸父”是追逐太阳的人，反映了古代人民探索大自然的强烈愿望和顽强意志。那么，人类观测、探索太阳的航天器，采用这个名字，是很有文化内涵的。
现实中的“夸父”——先进天基太阳天文台（ASO-S）
本文的主题——夸父一号卫星，笔者所在的单位正是牵头单位。
这颗卫星的科学名称叫做先进天基太阳天文台（Advanced Space-based Solar Observatory，简称ASO-S），早在2011年就已经由我国科学家自主提出，在中国科学院空间科学先导专项的支持下，ASO-S先后经历了预先研究、背景型号研究和综合论证，2017年底获得中国科学院批复正式工程立项，并最终研制发射。我们耳熟能详的“悟空”、“墨子号”、“慧眼”、“实践十号”、“太极一号”、“怀柔一号”这些卫星，都是该先导专项支持研发的。
“夸父”这个名字其实早就被用于中国的太阳观测计划——北京大学涂传诒院士在2003年提出的“夸父计划”（Kuafu Mission），可惜计划最终未能实施。夸父计划曾经计划在每11年为周期的太阳活动峰值年份（2012-2014年）发射并探测太阳的活动，而ASO-S卫星也有此意，瞄准的是咱们现在正在经历的太阳活动第25周的峰年，并实现我国综合性太阳卫星探测零的突破。
突破的是什么呢？ASO-S是一颗科学卫星，它的科学目标可以简称为“一磁两暴”——“一磁”就是太阳磁场，太阳和地球一样有磁场，甚至比地球的磁场更强，太阳上的日珥、黑子等等都与它的磁场有关；“两暴”则是指太阳上两类最剧烈的爆发现象，分别是太阳耀斑和日冕物质抛射，耀斑是太阳上耀眼的光斑，而“日冕物质抛射”指的是太阳爆发时把自己外层名为“日冕”的圈层中的物质大量喷出到太空当中。ASO-S对太阳的研究是多方面一体的，即观测和研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及三者之间可能存在的因果关系。
171 （17.1nm）辐射成像下的太阳，能看到耀斑和日冕物质抛射 （图片来源：美国太阳动力学天文台SDO）
对于ASO-S的名字，在2022年7月，卫星工程部门就向全国征名，共搜集到25000多份提名，其中三分之一都建议命名为“夸父”，最后选择使用“夸父一号”作为卫星的名称。也许可以说，从前未能实施的夸父计划，在这个新的太阳观测系列卫星身上，得到了新生。
这颗卫星如何探测太阳呢？
我们知道了“夸父一号”卫星正在帮助人类更好的认识太阳，通过的是对太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射这三者的观测和研究，但是它只是一颗地球周围的卫星，要怎么探测太阳上的这些事物呢？
首先“夸父一号”卫星采用的是高度720千米左右、周期约99分钟的太阳同步晨昏轨道。所谓的太阳同步，是因为卫星飞行时受到非均匀的地球引力，轨道平面会缓缓转动，从宇宙中看，它一方面围绕地球飞行且跟随者地球绕太阳公转，另一方面轨道平面也围绕太阳转动，保持这个面一直朝向太阳。
我们听说过月亮永远只有正面面向地球、永远也看不见背面，卫星的太阳同步轨道面也是如此，如同镜面的正反面，只有一面一直朝向太阳。“夸父一号”卫星采取的轨道平面更是沿着地球晨昏线的，这使得它几乎一年到头都可以晒到太阳——只有在每年的5月中旬到8月共约2.5个月的时间存在阴影，每天最长阴影时间18分钟。因此，它几乎一直可以观测太阳。
那么它观测什么呢？那就要说到它的载荷。“夸父一号”卫星搭载了全日面矢量磁像仪（磁象仪）、莱曼阿尔法太阳望远镜和太阳硬X射线成像仪。
磁场是一种看不见、摸不着的物质，但实际上经过“偏振”的太阳光，在没有磁场的区域就得到两个亮度相同的单色像，而在有磁场的区域就得到两个亮度不同的像，磁场愈强，两个像的亮度差愈大。因此，“夸父一号”卫星的全日面矢量磁像仪由成像光学系统、偏振光学系统、数据采集与处理系统三大功能块组成，在常规观测模式下，单磁场分量观测由128 2帧图像完成，一组矢量磁图用时2分钟，通过这种方式获得太阳磁场的信息。
中科院国家天文台怀柔太阳观测基地观测的一个区域的太阳矢量磁图
白色和黑色代表磁场正负，蓝色和红色箭头分别为正负极性处的横向磁场
（图片来源：先进天基太阳天文台官网）
“莱曼阿尔法”(Ly )是一种辐射的波段，太阳莱曼阿尔法发射线是太阳紫外光谱中最强的一条发射线。早期研究表明，太阳耀斑发生期间，该谱线表现出明显的辐射增强，后来科学家发现它能很好的表征太阳外层的色球层、日冕等的特征。“夸父一号”的莱曼阿尔法全日面成像仪在波段（121.6 4.5 nm）以4-40秒的时间间隔对太阳从日面中心到1.2个太阳半径进行成像观测，可以帮助我们揭开太阳的神秘面纱。
我们体检的时候有时会用穿透力很强的“X光”拍照检查身体的内侧，“硬X射线”是能量较高的x光，波长在0.01nm～0.1nm之间（如果波长大于0.1nm就叫软X射线了）。硬X射线也是太阳一种重要的辐射，太阳上的许多活动都可以用硬X射线更好地看到。因此，太阳硬X射线成像仪对太阳的拍照，也有助于研究太阳耀斑、日冕物质抛射等活动。
有了这三种仪器，“夸父一号”卫星能够从多个方面探测太阳爆发，有助于研究太阳活动的科学原理，更有助于预报空间天气，为我国空间环境的安全提供保障。
头顶的星辰大海始终是人类的向往，“夸父”逐日的故事告诉我们，在探索深空、探索自然的长路上，人类从未止步。
出品：科普中国
作者：王铮
监制：中国科普博览
编辑：孙晨宇
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给地球插上插头？向岩石要热量！
作者：肖易东发布时间：2022-09-19如果这部分干热岩可以实现2%的开采率，那么将...
从太空观察地球，我们会看到一颗蔚蓝美丽的星球。由于海洋的蓝色和森林的绿色都是冷色调，这样的地球可能看上去会让我们感到清朗凉爽。不过眼睛总是会骗人，实际情况或许出乎大家意料。地球其实是一个外冷内热的小火球，内部蕴含着很高的热量。虽然不能与太阳这种大火球相比，但据估计地球中心的温度也达到了惊人的6000 。
地球内部结构 图片来源：flickr/ Argonne’s Advanced Photon Source
有学者认为地球热量来源主要有三个，一是地球内部放射性元素衰变产生的热量，二是地球内部致密物质下沉到地心时重力势能转化成的热量，三是地球形成时尚未散失的热量。总而言之，这些都是地球自身产生的热量。
这些能量能不能被人类利用起来？今天，就给大家介绍一种“未来能源”——干热岩。
地下除了温泉，岩石也很热啊
虽然地心高温，但是据资料显示，地表年平均温度只有15 左右。这是因为从地心到地表热量逐渐散失，温度越来越低，这也让地层中出现了地温梯度。在靠近地表的区域，平均地温梯度是3 /100m，即每深入地下100 m，温度就升高3 ；反过来，每向地表靠近100m，温度降低3 。
发现这些来自地下的热量后，人类就想加以利用，将其称为地热资源，并按照产出方式分为水热型地热资源和干热型地热资源。
水热型地热资源可以简单理解为地下热水。温泉就属于水热型地热资源，这是地下热水冒出地表后的产物。还有一些地下热水并不冒出地表，而是一直封存于地下。水热型地热资源的应用实例，除了泡温泉之外，在国内比较著名的就是西藏羊八井地热田了，1977年我国就在此建了一座地热发电站，并取得了良好效益。
泡温泉就是利用的水热型地热资源 图片来源：wikipedia
相应的，干热型地热资源可以理解为虽然地下的岩层很热，但没有水或者只存在很少的水。一般是指埋藏于地壳3~10 km 深处、温度高于180 （也有学者认为是150 或者200 ）的高温岩体，因此干热型地热资源也被称为干热岩。
之所以强调3~10 km这个深度，倒不是说更深的就不热了，而是因为更深的地方我们够不着了。目前人类最深的钻井记录是苏联的科拉超深井，花了20年时间才达到12.2 km，而且耗资巨大。因此我们一般只关注那些地温梯度比较高，即挖得不深就能很热的地方，这里投入产出比比较高。中国的干热岩资源主要集中在西藏羊八井地区、云南腾冲地区以及青海共和盆地等地。
中国干热岩资源分布图 图片来源：参考文献[13]
干热岩的资源量是相当可观的。据麻省理工学院保守估计，地壳中可开采的干热岩储量接近1.3 10^27 J，可供全球使用大约2.17亿年。而中国大陆3~10 km 深度的干热岩资源据统计约为2.52 10^25 J，大致相当于860万亿吨的标准煤。根据中国2021年的能源消费总量52.4亿吨标准煤计算，如果这部分干热岩可以实现2%的开采率，那么将能够维持中国3282年的能源供给。
不过，干热岩这种资源这么好，怎么还不开采利用呢？
能量诱人，开采不易
虽然干热岩资源的前景非常诱人，但开采起来困难极大，直到上世纪70年代才有了较大的理论突破。1970年，美国洛斯阿拉莫斯实验室提出了增强型地热系统（Enhanced geothermal system， EGS）的概念，基本原理大概是这样的：向地热储层中打两个井，注入井和生产井。向注入井中注入冷水，等冷水流经地热储层被加热后，再用生产井把热水抽上来，然后就能用这热水供暖或发电了，用完还可以将这些水导入地下循环利用。
EGS工程示意图 图片来源：作者自制
这个方案乍听起来简便划算，等于说让冷水去地热储层串门后，就能带着热量满载而归了，但实际存在很多工程技术上的难题。比如干热岩资源所处的地层往往又热又硬，钻井难度大、成本高；又比如干热岩储层可能致密不透水，注入的冷水无法向钻井周边扩散吸热，难以流到生产井被抽出。
尽管我们可以通过水力压裂技术（注入高压水破坏储层结构，在其中形成裂隙网络）来改善储层的渗透率，但由于地下操作看不见摸不着，高压水注下去后，难以保证裂隙就只按我们想要的方向发展，万一它向远离生产井的方向发展，那我们注入的水就收不上来了。
水力压裂技术示意图，向地下注入高压水溶液，利用高压使得岩层中产生裂隙，目前页岩油采集也主要使用本技术 图片来源：Wikipedia
1973年，美国开启了Fenton Hill干热岩试验项目，首次进行了EGS的工程尝试。虽然这个项目最终因钻井设备缺陷以及工程成本巨大等原因失败了，但也证实了EGS技术上的可行性，对干热岩地热开采起到了至关重要的推进作用。此后英国、法国、德国、澳大利亚以及日本等相继开展了一系列的EGS 工程尝试，其中由法、英、德三国于Soultz联合开展的EGS系统是目前世界上较为成功的EGS示范项目，于2008年实现了干热岩地热发电。
在欧洲的EGS技术成功后，美国、韩国和中国等国家也加速了这方面研究。美国能源部于2015 年4 月开始实施了“给地球插上插头”的干热岩“地热能前沿瞭望台研究计划”（FORGE），计划在2050 年将EGS 发电的总装机容量提高到10 万兆瓦，相当于4个三峡大坝。
韩国于2016 年启动了国内第一个EGS 项目尝试—Pohang EGS，其最终目标是期望实现1 兆瓦（MWe ）的发电示范。但在该项目启动后，2017年在项目所在地附近发生了一次5.5级地震，有研究认为可能是这个项目向地下注水时诱发了地震，因此这个项目被迫停止。
韩国2017年浦项地震一角，这是该国近年来最大的地震之一，被怀疑很可能与EGS有关。 图片来源：wikipedia
中国科学家2017年5月在青海共和盆地东部的GR1 地热井3705 米深处钻获了236 的高温岩体，这是国内首次发现的埋藏最浅、温度最高的干热岩体；2022年1月，在共和盆地成功实现国内首次干热岩试验性发电并网，取得历史性重大突破。
共和盆地干热岩压裂与定向钻探现场 图片来源：中国地质调查局
除了传统的EGS方法外，还有学者另辟蹊径。其中值得一提的就是我国学者创新提出的重力热管技术，原理很巧妙：把一根导热性极好的管道插入到干热岩地层中，然后热管就会自动把热量传导上来。不过由于距离很长，只用热管的话可能采热效率不佳，为此我们可以向管中注入氨水，氨水受热后容易汽化，可以很方便地把热量以蒸汽的形式带上来，进一步提高了采热率。
《中国科学报》2022年1月报道了中国地质调查局与中科院广州能源研究所合作创新研制的国内最长的4200米重力热管采热试验装置。在雄安新区为期3个月的现场采热试验显示，单井短时采热功率可达1.3兆瓦，平均采热功率800千瓦，长期稳定运行可支撑供暖面积超2万平方米。这一技术突破也是我国科技工作者对世界地热资源开采事业的一大贡献。
重力热管技术示意图 图片来源：作者自制
干热岩开采的隐患，怎么解决？
有人担忧干热岩开采可能引发的问题。一是诱发地震，如前文提到的韩国地震。不过，事实上这里的地震问题主要是水力压裂导致的，其他使用水力压裂技术的工作比如页岩气开采等也可能引发类似的问题。而已有研究指出水力压裂对3级以上地震活动影响有限，同时水力压裂诱发的微地震可能有助于释放累积的地应力或能量，降低大震风险。此外还有学者认为水力压裂导致的地震是可以控制的。
二是影响地球寿命。地热资源是地球自身热量的一部分，我们自作主张拿走了地热资源，有人担心会是杀鸡取卵。应该说地球内部的庞大热量确实是地球还“活着”的象征，它是地球上多种地质活动比如火山和地震的动力来源，等哪一天它消耗用尽后，地球就可能会冷却成月球那样，变成没有生机与活力的荒原。但大家对此其实不用太担心，因为人类获取的这一点热量相对于整个地球而言实在是九牛一毛。而且即便人类不拿走，地球也要通过火山或地震来释放自己的旺盛精力。
三是耗水量大，且影响生态环境。在EGS 储层改造过程中，通常需要耗费数万立方米的水资源，如前文提到的Soultz项目压裂液用量就超过10万立方米。而我国干热岩资源主要分布在青海、西藏等水资源缺乏及生态脆弱的干旱地区，水力压裂带来的水资源浪费和生态破坏等问题不能忽视。对此有学者提出了用超临界CO2充当压裂液的方法，一来节约水资源，二来助力碳中和。目前是研究热点，希望可以早日大规模应用于实践。
结语
总的来说，虽然很多国家都制定了开采干热岩资源的宏伟计划，但各国普遍还处于小规模的试验探索阶段。中国地质科学院研究员王贵玲直言：“（干热岩开采技术）50年的时间没有特别明显的进展”。而中国因为起步较晚，技术积累方面相对更加薄弱。
但毋庸置疑的是，干热岩是极富潜力的未来能源，储量巨大，且绿色无污染，一旦在开采技术上实现了重大突破，就能很好地造福人类社会。
参考文献:
[1] 雷治红. 青海共和盆地干热岩储层特征及压裂试验模型研究[D]. 吉林:吉林大学,2020.
[2] 阴伟涛. 裂缝充填干热岩体THM耦合响应及其应用[D]. 山西:太原理工大学,2020.
[3] SCIENTIFIC AMERICAN. Why is the earth's core so hot? And how do scientists measure its temperature? [EB/OL], https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-earths-core-so/,1997-10-06.
[4] Zhihong Lei, Yanjun Zhang, Senqi Zhang, Lei Fu, Zhongjun Hu, Ziwang Yu, Liangzhen Li, Jian Zhou. Electricity generation from a three-horizontal-well enhanced geothermal system in the Qiabuqia geothermal field, China: Slickwater fracturing treatments for different reservoir scenarios. Renewable Energy. Volume 145, 2020, Pages 65-83, ISSN 0960-1481.
[5] 国家统计局. 中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报[R]. 2022-02-28.
[6] 央视网.《透视新科技》20220612滚烫的岩石, 2022-06-12.
[7] 冯丽妃. 雄安新区完成4200米重力热管采热试验[EB/OL], https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/1/367900.shtm, 2022-1-24.
[8] 蒋方明,黄文博,曹文炅.干热岩热能的热管开采方案及其技术可行性研究[J].新能源进展,2017,5(06):426-434.
[9] 王尧,郭迟辉,吕承训,孙月,刘江涛.国际水力压裂与地震关系研究进展及地质工作建议[J/OL].地质通报:1-10[2022-07-31].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4648.p.20210326.1547.002.html.
[10] 蔺文静,刘志明,马峰,刘春雷,王贵玲.我国陆区干热岩资源潜力估算[J].地球学报,2012,33(05):807-811.
[11] 彭娜. 我国首次！海南州实现干热岩试验性发电并网[EB/OL], http://www.qinghai.gov.cn/zwgk/system/2022/01/22/010402038.shtml, 2022-01-22.
[12] 张欣玮. 超临界CO2压裂页岩复杂裂缝形成机理及等效渗流模型[D]. 重庆:重庆大学,2018.
[13] 王贵玲,刘彦广,朱喜,张薇.中国地热资源现状及发展趋势[J].地学前缘,2020,27(01):1-9.DOI:10.13745/j.esf.2020.1.1.
作者：肖易东 中国科学院地质与地球物理研究所
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六问读懂“人工增雨”：为啥不是“...
作者：刘丹 张娟 张格苗发布时间：2022-09-13一起来盘一盘人工增雨这件事儿
7月以来，我国南方多地遭遇持续性高温少雨天气，部分地区出现干旱甚至特旱。连日来，全国多地气象部门抓住有利天气时机，积极开展人工增雨作业。
（图片来源：国家气候中心）
有网友问：“高温这么长时间，为何不能一直增雨降温？”“人工增雨播撒催化剂对环境有没有影响？”今天，我们以6个小问题引入，一起来盘一盘人工增雨这件事儿。
一问：什么是人工增雨？为啥不是“人工降雨”？
在了解人工增雨之前，我们首先需要知道——雨从何处来？
雨，是从云中降落的水滴，陆地和海洋表面的水蒸发成水蒸气，水蒸气上升到一定高度后遇冷变成小水滴，这些小水滴便组成了云，它们在云里互相碰撞合并成大水滴，当它大到空气托不住的时候就从云中落下来，形成了雨。
因此，要形成降雨，必须满足三个条件，云中水汽充沛、上升气流运动以及足够多的凝结核或冰核。
（图片来源：中国气象报社）
人工影响天气（人工增雨是其中一种）是指为避免或减轻气象灾害，合理利用气候资源，在适当天气条件下，通过科技手段对局部大气的物理、化学过程进行人工影响，实现增雨（雪）、防雹、消雨、消雾、防霜等目的的活动。
（图片来源：中国气象报社）
人工增雨不等于人工降雨，催化剂的作用就像是“卤水点豆腐”，但前提是有“卤水”才能点出豆腐来，也就是天气已经满足了降雨的基本条件（水汽充沛、上升气流运动），人工增雨才能发挥作用。
二问：人工增雨怎么“增”？
自古以来，人们就幻想能够控制天气。中国清代的《广阳杂记》就载有：“夏五、六月间，常有暴风起，黄云自山来，必有冰雹，土人见黄云起，则鸣金鼓，以枪炮向之施放，即散去。”意思是夏天，常有暴风雨，古人见黄色的云气滚滚而来时就鸣鼓并用土炮向天空射去，使黄色的云气散开以此达到防雹的效果。这是中国古代用土炮防雹的生动描述。
可以看到，我国劳动人民很早以前就有了想人为干预天气的想法和实践，但是由于当时科学技术的落后，这些实践以失败告终。
现在，我们人工增雨的方式主要是通过向云中撒播催化剂来增加凝结核，比如盐粉、干冰或碘化银等，也可利用声波、飞秒激光、带电粒子等手段，来促进水气凝结、云滴碰并增长等云雨转化过程，形成降水落到地面。
为应对高温干旱天气，湖北宜昌市气象部门抢抓有利时机，开展人工增雨作业
（文/图来源：唐巧珍、冷鹏飞、王罡）
三问：“催化剂”如何送往云端？
如何将催化剂送到云中？这就要看人工影响天气作业中的那些“爆款”装备了！增雨作业方式上，常规的是通过飞机、高炮、火箭、地面燃烧炉等向云中播撒催化剂。
用地面燃烧炉：一般而言，地面燃烧炉主要用于交通不便的山区或是较难申请作业空域的地区，作业人员通过燃烧含催化剂的焰条，将人工冰核送入云中。
地面燃烧炉装置
用飞机：飞机作业可以根据不同的云层条件和需要，携带催化剂及其播撒装置或挂载飞机焰弹发射系统等，在合适的云层位置进行增雨作业。此外，飞机上还可以装载探测仪器进行云微结构的观测和催化前后云宏、微观状态变化的追踪监测。飞机作业机动性强， 催化作业面积大，增雨效果好。
正在作业中的人影（人工影响天气）飞机
用高炮/火箭：高炮和火箭相对于飞机机动性较差，适合于在固定目标区（如为水库增水）作业，特别是对飞机飞行安全有威胁的对流云进行催化作业。
人影高炮
一般情况下，当催化剂成功送达15分钟至20分钟后，降雨的效果便很显而易见了。
在我国，实施人工影响天气活动，必须严格遵守相关法律、法规及规范，遵守严格的人工影响天气作业标准。人工增雨用飞机、火箭和高炮等在增雨作业前，必须先申请作业空域，并严格在批准的空域时间内发射人工增雨专用火箭弹、炮弹，以确保作业安全。
（图片来源：中国气象报社）
四问：人工增雨要看“云”施策？
说到这个问题，就要提到一个概念，原来高空的云居然还有“冷暖”之分。由于冷云（云内温度在0 以下）和暖云（云内温度在0 以上）的降水机制不同，对不同“冷暖”的云进行人工增雨，使用的催化剂也是不同的。
对冷云的人工增雨，传统方式通常是播撒碘化银、干冰等成冰剂或制冷剂，增加云中冰晶浓度，以弥补云中冰核的不足，达到降雨或增加雨强的目的。
（图片来源：中国气象局气象宣传与科普中心）
对暖云的人工增雨，则通常是向云中播撒盐粉等吸湿剂，使云中迅速形成一批大云滴，它们能通过碰并过程迅速长大成雨滴，“过度肥胖”的它们“体重”暴增，上升气流给的支撑终于抵不住重力的作用，只好掉了下来，形成了降雨。
（图片来源：中国气象局气象宣传与科普中心）
五问：高温天，为何不能一直增雨降温？
愿望是美好的，但是，人工增雨可不是想增就增的！
首先，有云才有雨，但不是所有的云都有降水潜力。人工增雨的云需要满足三个条件，云层厚度要大于2公里；云中要水汽充沛；有上升气流区。一般来说，晴天的积云和层积云不易产生降水，而积雨云（冰水共存的混合云）则比较有利于云滴增长为雨滴。
因此，前段时间持续高温，重庆等多地连日“晴空万里，没有一丝云彩”，自然是不满足人工增雨条件的。
8月25日，中国气象局人工影响天气中心联合四川省气象局，调用两架大型无人机组织实施人工增雨作业，作业面积达6000平方公里
（图片来源：央视新闻）
六问：人工增雨作业会污染大气吗？是否会带来气候连锁反应？
其实，人工影响天气作业采用的催化剂主要是干冰（固体二氧化碳）、液氮、碘化银等，这些催化剂具有很高的成冰能力，每次作业只需要少量。
以常用的冷云催化剂来说，干冰、液氮汽化后成为二氧化碳和氮气——都是空气的主要组成部分，因此它们都是“生态安全催化剂”，当然不会污染环境。
另外，长期监测发现，飞机人工影响天气作业和火箭人工影响天气作业等使用的碘化银用量非常小，作业区域水体和土壤中积累的银离子浓度远低于世界卫生组织规定的浓度。
所以，正确使用人工影响天气催化剂不会造成环境污染。
那么，人工干预是否会带来气候连锁反应？
其实，地球水循环系统是周而复始的。而空中云水资源主要分布在对流层大气中。
地球水文循环示意图。
（图片来源：世界气象组织）
按照空中云水资源形成的条件和过程来看，它是一种可再生资源，且人工影响天气作业常常是几十公里的中小尺度，不会影响到整个气候系统。
专家顾问：中国气象局人工影响天气中心二级研究员 姚展予
图片来源：除已标明外，其它图片由孙楠、李根摄影，青海气象局提供
审核：段昊书 叶海英
出品：科普中国
作者：刘丹 张娟 张格苗（中国气象报社）
监制：中国科普博览
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发炎发炎，扁桃体到底能不能割掉？
作者：EVEE发布时间：2022-09-07扁桃体它，除了经常发炎还能干嘛？？
咕嘟。啊，好疼！
扁桃体发炎起来真是要命，咽个口水都这么疼。这样的场景相信不少朋友在日常生活中都遇到过，有些人甚至还生起过把扁桃体割掉的想法。
扁桃体发炎真难受 图片来源：everydayhealth.com
那么，问题就来了，经常发炎的扁桃体有什么作用？把扁桃体割了对身体有影响吗？
儿时的免疫屏障，长大后已不再那么重要
想要回答这些问题，咱们就要先了解一下，什么是扁桃体。
在人们消化道和呼吸道的交汇处，通俗点说就是舌根附近的位置，有着好几团淋巴组织团块，就像此起彼伏的粉红色山包，这就是我们常说的扁桃体。
大家平时照镜子容易观察到的其实是腭扁桃体(palatine tonsil)，腭扁桃体有一对，它们对称分布在咽部的两侧，这也是大家通常所说的“扁桃体”。除此之外，咱们还有咽扁桃体（pharyngeal tonsils）、舌扁桃体(lingual tonsils)和咽鼓管扁桃体(tubal tonsils)，咽扁桃体靠近鼻子和耳朵，舌扁桃体则位于舌根处，它们和腭扁桃体以及其他一些淋巴组织一起构成了咽淋巴环。
咽淋巴环 图片来源：uptodate.com
看到这，大家也猜到了扁桃体的作用，作为淋巴组织，扁桃体发挥着重要的免疫作用。长期以来，人们都认为扁桃体是抵御病原体进入人体的第一道免疫防线。咽淋巴环就像一个安检门，无论是我们呼吸的空气，还是吃进的食物，都要经过这道安检门，通过免疫细胞的检查，才会进入人体。
在我们还小的时候，这样一道防线和屏障十分重要，因为这时我们身体的免疫系统还没有完全建立，在不断成长接触这个陌生世界的过程中，扁桃体就是守护我们长大的免疫卫士。但随着咱们身体免疫系统功能的完善，扁桃体起到的免疫作用就变得不再起眼，对于成年人来说，扁桃体并不是不可或缺的。
事实上，扁桃体自己可能也“意识”到了这一点，在我们最需要它们的时候，扁桃体的淋巴结会增生让扁桃体更发达以更好地行使免疫功能。在正常情况下，扁桃体发达的程度一般不足以引起扁桃体过度肥大，并且随着我们年龄的增大，扁桃体的作用变得不再重要后，扁桃体就会开始萎缩变小。
当然，凡事都有例外，在一些时候，这些“免疫卫士”也会让我们感到困扰，以至于生出想要彻底“摆脱”它们的念头。
啊，扁桃体又发炎了，好想割掉
虽然在我们成年以后，扁桃体的用处已然不大，但它们还是会经常出来刷一刷存在感，时不时发个炎让大家记住自己的存在。
大家一起来唱一句：啊~扁桃体发炎是会呼吸的痛~
健康的扁桃体和发炎的扁桃体 图片来源：rh.gatech.edu
其实，扁桃体他也不是故意的，前面咱们也提到了，扁桃体“地貌复杂”，这样的构造确实有好处。大家可以类比小肠，“千沟万壑”可以增大小肠的内表面积，以此来增加对养分的吸收效率。对于扁桃体而言，也是如此，复杂的结构可以部署更多的免疫细胞，提高排查病原体的效率。但与此同时，这些丘壑也容易藏污纳垢，造成不良影响。举个例子，遗留的食物残渣就可能让细菌滋生，形成扁桃体结石。扁桃体结石的味道别提有多么“酸爽”！
扁桃体结石 图片来源：livescience.com
如果再严重一些，当我们因为过度疲劳等原因，身体免疫力下降时，藏污纳垢的扁桃体还会因为细菌感染等原因导致发炎，让大家饱受煎熬。
这时候，切除扁桃体就成为了一些人的无奈之举，毕竟用处不大，就像鸡肋一样，不如割了一了百了。在网上搜索相关内容，我们就会发现一些成年人，甚至是小孩，因为苦于频繁发作的扁桃体发炎，选择了一劳永逸的做法。
但总的来说，扁桃体能不切还是不要随便切，对于儿童来说，扁桃体是一道重要的免疫屏障；对于成人来说，扁桃体虽然对于病原体的“武力值”很低，但是还是能起到一定的预警作用，让免疫系统知道有病原体入侵了。
那么，什么时候才应该考虑扁桃体的切除呢？
一个主要的考虑指标就是每年扁桃体发炎的次数。在一年内频繁发作超过7次以上的，或者连续三年，每年都要发炎个3-4次以上的朋友们就要去问问医生，需不需要割掉扁桃体了。
另一个重要的指标则是扁桃体是不是过度肥大，以至于影响到正常的呼吸、睡眠和饮食。大家可能不能脑补这个场景，其实，扁桃体肥大起来，也是十分恐怖的。大家看看下面这位扁桃体肥大的患者，这么大的扁桃体，基本上把咽部都堵住了，这该有多影响生活啊。
扁桃体过度肥大 图片来源：参考文献
但说归说，大家自己有一个基本的判断后，还是应该到医院去看看，毕竟每个人的情况都不一样，谨遵医嘱才是最靠谱的选项。
“残余器官”也很重要
不过，大家有没有思考过这样一个问题：扁桃体真的是人类演化过程中的“残余器官”吗？
其实不仅是扁桃体切除术，当前有许多手术都涉及切除一些身体“多余”的部位，比如阑尾、胆囊，甚至子宫(在生育年龄以后)。我们有着许多正当的理由去进行这些切除手术，并且许多患者在切除这些器官后，依旧可以过得很好。
但我们也听过这样一句话：存在很多时候就意味着合理，这些过去在人们眼中看似多余的器官，其实并非毫无用处。
前面我们已经提到，扁桃体在我们儿时具有很重要的免疫作用，最近的一项研究表明，扁桃体的影响或许不仅限于此。科学家们对一百二十万名切除或保留了扁桃体的丹麦儿童进行了10-30年的随访调查，发现5%在9岁之前切除了扁桃体的儿童患呼吸道疾病的概率是一般人的2-3倍，同时，这些没有扁桃体的孩子们也更容易过敏和患上哮喘等疾病。或许扁桃体在我们小时候发挥免疫作用以外，对免疫系统还有持久性的影响。
阑尾和扁桃体类似，也有着人们意想不到的作用。2007年的一项研究指出，当肠道菌群失调时，阑尾作为益生菌的安全屋，可以对肠道的菌群进行补充。四年后的另外一项研究支持了这一说法，切除了阑尾的患者感染梭状芽胞杆菌的概率是普通人的两倍多，因为肠道缺乏有益菌来对抗有害细菌的快速繁殖。
看来，割或不割，才不是挨一刀那么简单啊！
参考文献：
[1] Bollinger, R. R., Barbas, A. S., Bush, E. L., Lin, S. S., & Parker, W. (2007). Biofilms in the large bowel suggest an apparent function of the human vermiform appendix. Journal of theoretical biology, 249(4), 826-831.
[2] Byars, S. G., Stearns, S. C., & Boomsma, J. J. (2018). Association of long-term risk of respiratory, allergic, and infectious diseases with removal of adenoids and tonsils in childhood. JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 144(7), 594-603.
[3] Im, G. Y., Modayil, R. J., Lin, C. T., Geier, S. J., Katz, D. S., Feuerman, M., & Grendell, J. H. (2011). The appendix may protect against Clostridium difficile recurrence. Clinical gastroenterology and hepatology, 9(12), 1072-1077.
[4] Lemyze, M., & Raphael, F. (2010). Enlarged tonsils and fatigue. American Family Physician, 82(6), 669.
作者单位：北京大学生命科学学院
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北极没有企鹅吗?其实曾经是有的
作者：EVEE发布时间：2022-08-11北极熊吃没吃过企鹅，这是一个问题
为什么北极熊不吃企鹅？这个脑筋急转弯大家肯定不陌生，答案也不复杂，北极没有企鹅，同样的，南极也没有北极熊。
北极熊和企鹅 图片来源：pbs.org
这个答案总得来说并没有什么问题，但大家可能不知道，南极的企鹅曾随着冒险者到访过北极。不仅如此，在100多年前，北极还存在着一种和企鹅长得很像的海鸟，也被人们称作“北极的企鹅”。
随着海王星号来到北极的旅客
在上个世纪30年代，一位叫做拉尔斯 克里斯滕森的探险家来到南极洲，在这里，他见到了世界上最大的企鹅—帝企鹅。值得一提的是，这位老哥不仅具有冒险精神，还精通炒作，很有经济头脑。在看到这些在冰上一脚深一脚浅踱步的企鹅之后，克里斯滕森马上意识到，赚钱的机会来了。
海王星号 图片来源：discover.hubpages.com
在返航的时候，他在海王星号里藏了9只帝企鹅，将它们带到了挪威北部寒冷的罗弗敦群岛。至于为什么选择罗弗敦群岛，原因也很简单，北极熊、北极狐等掠食者无法到达这些岛屿，在上面饲养企鹅总体上比较安全。不得不说，这些帝企鹅在这里度过了一段还算安逸的时光，人们在岛上制作了围栏，在企鹅筑巢期间，当局还发布了通告，不允许人们上岛。
当局禁止人们上岛的通告 图片来源：nrk.no
事实上，克里斯滕森确实获得了成功，由于媒体的广泛报道，这些“南极来客”受到了人们的广泛关注，给他带来了不菲的收入。
尝到甜头的克里斯滕森决定再做一笔更大的买卖，在1938年，也就是初次引进企鹅的两年后，他再次从南半球引进了60只企鹅。为了保持人们对企鹅的新鲜感，这次他选择了另外两种企鹅，马可罗尼企鹅和巴布亚企鹅。
当地媒体对于引进帝企鹅的报道 图片来源：nrk.no
这些企鹅最初时还是被圈养在围栏中，但是随着人们对企鹅热情的消退，克里斯滕森觉得自己无利可图，企鹅们吃的比让自己挣的还多，这让他坐不住了。
养不起还能咋样，都放了呗，这些从南方远道而来的旅客们自由了。尽管挪威的气候和它们家乡的一样寒冷，但这些不会飞的海鸟却在被放归野外后遭遇了悲惨的命运。
一个小男孩在饲养企鹅 图片来源：nrk.no
南极和北极虽然都是冰天雪地，但截然不同的地理环境决定了它们拥有完全不同的生态系统，南极洲是被海洋包围的陆地，相反，北极则是被陆地包围的海洋。在南极洲，企鹅只要不下水，几乎就没有任何天敌，只有在水下，它们才可能被海豹和虎鲸猎杀。
事实上，在南极洲之外的其他企鹅的分布区，陆地上同样没有强大的捕食者。习惯了安逸环境的企鹅突然来到北极，当然就是羊入虎口了，至少，北极熊们不会对这些行动缓慢的美味们视而不见。
南极和北极 图片来源：NASA
根据报道，在1954年，人们最后一次目击了这批被放生的企鹅，企鹅短暂的北极之旅就此落下帷幕，就像110年前，最后一只大海雀的消失一样，令人叹息。
北极“企鹅”的消亡18世纪，在苏格兰海岸附近的一个小岛，玄武岩组成的峭壁在阳光下闪闪发光，冰冷的海水不住地拍击着。在海浪里漂浮着一种黑白相间的大鸟，它们正在等待合适的时机登陆，尽管它们长着翅膀，但却不能依靠翅膀飞翔，这些大鸟被称为大海雀。倘若它们到今天还没有灭绝，肯定会有人把它们当做北极的“企鹅”。
苏格兰的Stac an Armin，大海雀曾经的栖息地 图片来源：zmescience.com
最后一只大海雀于1844年被三名渔民杀死，它的尸体被渔民们卖给了博物馆，对于一种不会飞翔，被人类大肆猎杀而走向灭绝的海鸟而言，这似乎是一个悲惨但又恰如其分的结局。
在大约500万年前，大海雀就已经在北极的“土地”上漫游，这远早于古代人类出现的时间。大海雀的身高大约为75-80厘米，体重可以达到5千克，背部为黑色，腹部则是白色，它们的外表和行为和企鹅十分相似，但二者之间并不存在亲缘关系。
大海雀的标本 图片来源：zmescience.com
由于大海雀灭绝的时间过早，现代科学家们从未在野外真正观察过大海雀的行为和生活，不过基于对其亲戚刀嘴海雀的研究，科学家们对这种不会飞的海鸟的行为也有了一定的了解。大海雀的天敌可能是逆戟鲸、北极熊或者白尾鹰，但这些天敌几乎没有一个会到大海雀生活的岛屿上。
当然，这也不是绝对的，16 世纪到 19 世纪的小冰河时代。冰川活动剧烈，扩张的冰川使得北极熊更容易接近大海雀，这让大海雀的种群数量出现了一定的下降，但大海雀的适应力让它们挺了过来，直到人类进入了它们的领地，才宣告了这一物种的悲惨命运。
岛屿上遍布的大海雀 图片来源：zmescience.com
考古和历史记录表明，人类狩猎大海雀的历史十分悠久。在史前时期，北美的贝奥图克人、格陵兰的因纽特人，甚至是尼安德特人都猎杀过大海雀；公元16世纪，欧洲的海员们在纽芬兰的渔场开始了对大海雀的密集狩猎；在18世纪末期，大海雀羽毛的贸易使得狩猎行为进一步加剧，而大海雀的稀缺进一步激发了私人和博物馆的收藏欲望。
终于，大海雀迎来了灭绝。
毫无疑问，人类的狩猎是大海雀灭绝的重要原因，但也有人认为大海雀的数量可能由于环境变化而开始下降。不过，最近的一项关于大海雀的研究表明，即便不存在环境变化的影响，人类的狩猎已经足以让这种大鸟走向灭亡。
无需甩锅，人类就是凶手
在2019年一项发表在期刊《eLife》上的研究中，科学家们通过整合遗传数据和洋流数据，以及历史上对于大海雀的狩猎记录，研究了人类狩猎对于大海雀灭绝的影响。具体而言，研究人员在大海雀分布范围内收集了它们的遗骸，从中提取出DNA对线粒体基因组进行测序，推测了这一物种的历史种群动态，并在其曾经的分布区内投放配备有GPS的漂流仓，以推测大海雀的潜在迁移路线。
推测的大海雀可能的迁移路线 图片来源：参考文献
倘若环境变化会对大海雀的生存产生很大的影响，那么其遗传信息中就会有所体现。事实上，科学家们发现大海雀在更新世时(距今4万多年前)经历过种群的减少，但随后大海雀的种群恢复了过来，在此之后其有效种群大小就没有经历过明显的下降，这意味着环境对其灭绝的影响微乎其微。
进一步，科学家们估计了狩猎对于大海雀灭绝的可能影响。结果表明，只要每年狩猎21万只大海雀和捡走不到2万6千个大海雀的卵就可以导致大海雀在350年里彻底消失。而人类对于大海雀的狩猎强度可能远远超过21万只每年。根据史料记载，在芬克岛海岸附近的一次捕猎活动中，有1000只大海雀在半个小时内被两艘渔船捕获并杀死。
长期以来，人类和环境变化在导致物种灭绝中的作用一直存在争议，但毫无疑问，人类对于大海雀的灭绝有着不可推卸的责任，甩锅给环境显然是一种极不负责的行为。
一位叫做亚伦 托马斯的英国皇家海军水兵曾写下这样的句子：
“如果你为了它们的羽毛而来，你不必去费心杀死它们，只需要将那根最好的羽毛摘下来，然后让这些可怜的‘企鹅’们随波逐流。”
鸟儿长着羽毛，有什么错吗？
参考资料：
[1] The Last Arctic King Penguin. https://discover.hubpages.com/politics/The-Last-Arctic-King-Penguin
[2] March of the penguins. https://dolly.jorgensenweb.net/nordicnature/?p=349
[3] Se, pingviner p R st. https://www.nrk.no/nordland/slik-endte-pingvinene-sin-skjebne-1.7341925
[4] Why are there no penguins in the Arctic really just because of polar bears? -Arctic, Penguin – Fast Technology (Media of Drive House) – Technology changes the future. https://gamingsym.in/why-are-there-no-penguins-in-the-arctic-really-just-because-of-polar-bears-arctic-penguin-fast-technology-media-of-drive-house-technology-changes-the-future-2/
[5] The uneasy story of how the Great Auk went extinct. https://www.zmescience.com/other/pieces/great-auk-extinct-tragic/
[6] Thomas, J. E., Carvalho, G. R., Haile, J., Rawlence, N. J., Martin, M. D., Ho, S. Y., ... & Knapp, M. (2019). Demographic reconstruction from ancient DNA supports rapid extinction of the great auk. Elife, 8, e47509.
作者单位：北京大学生命科学学院 -
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激光雷达，揭开土地上的“神秘面纱”
作者：海里的咸鱼发布时间：2022-07-12亚马逊河流域森林中，古代城市遗迹的面貌，是...
人类在地球上渺小而又顽强地繁衍着，在这广袤的大地上，我们的祖先是如何生活的呢？他们种植粮食、搭建房屋、组成部落、建立城市，留下了存在过的痕迹。通过对古迹的勘探，我们能够推测古人的生活方式、社会文化以及技术发展水平。不过，历经千百年的时光，寻找古人留下的遗迹可不是一件容易的事情。
因为沧海桑田，原本的建筑可能已经被深埋在地底下，不论是广袤的植被还是茂密的森林，它们都能轻易阻挡我们对地下世界的探索。不过，激光雷达技术的出现却能帮助我们揭开土地上的“面纱”，让我们看见大地最原始的“面貌”。
激光雷达，勘探遗迹的利器
20世纪初，英国探险家珀西 福斯特（Percy Fawceet）多次深入亚马逊地区，寻找曾经存在于那片土地上的古文明，却在寻找遗迹的行动中，永远迷失在亚马逊的密林中。于是，亚马逊地区的历史遗迹就同那一支探险队一起从人们的视野中消失了。
不过，最近《自然》杂志上刊登了一篇论文，科学家们利用激光雷达，终于得到了亚马逊河流域森林中，古代城市遗迹的面貌图。让我们先看看遗迹长什么样：
图片来源：参考文献1
图中显示的这些建筑是由卡萨拉贝社区于公元500-1400年间建造的，是以前的房屋、梯田、围墙等人造事物的痕迹。这张图片是直升机搭载激光雷达在森林上空进行勘探并经过后期图像处理得到的。
不过也许你会发现，这张图似乎和平时的航拍图片有些不一样，其实最大的区别就在于——树林不见了。
左：航拍相机获取的森林图片
右：同一地点激光雷达探测得到的图片
图片来源：参考文献1
没有了树林的遮蔽，古建筑遗存下的痕迹变得一览无余。考古工作也就变得顺利多了，想想激光雷达出现之前，为了勘探森林中的遗迹，还要先学会野外生存，实地考察时还要在热带森林里上蹿下跳（考古学家：我太难了）。
现在有了激光雷达，考古学家们就可以避开树木的干扰，更清晰的观察古建筑遗址了。那么，排除树木干扰的地形图是怎样绘制出来的呢？
主动成像，照亮幽暗角落
茂密的森林，树叶遮挡了大部分的阳光，很少有阳光能够照射到树林下的地面，从天上观察的时候，普通的相机几乎没办法获得地面的影像，叶子的缝隙处多是黑漆漆的阴影。
相机是一种被动的成像装备，相机接收外界事物发出或者反射的光线后，才能形成照片；激光雷达则是主动的探测器，它自己会发出激光去探测外界的形貌。
对于森林这种复杂形貌，依然有不少激光光线能够到达树林下的地面，激光雷达探测得到的点云数据会被送入计算机，计算机识别哪些数据点是森林的，哪些是地面的，接着滤除森林的点云数据，剩下的就是地面的形貌数据啦。
激光雷达获得的原始点云数据
图片来源：answers.usgs.gov
计算机对点云进行分类（黑色点为植被的数据点，彩色点为地表的数据点）
图片来源：参考文献2
滤除植被点云后获得的地形表面裸土图像，又称为数字高程模型（DEM）
图片来源：answers.usgs.gov
激光雷达在地形绘制方面的“超能力”，让全世界的考古学家都喜欢上了它。2016年，pacaunam计划对位于危地马拉的玛雅生物圈保护区进行了大规模的激光雷达调查，调查发现了六万余座古建筑，一百多公里的堤道，这一结果表明该区域存在过由数百万人口构成的玛雅文明。
良渚古城的勘测考察工作也用到了这项技术，激光雷达扫描良渚古城遗址，滤除地面的植被后，古城的水利设施，外郭等结构都显现了出来。
不仅能发现过去，还能预警未来
除了利用激光雷达探测遗迹，激光雷达对地形地貌的清晰呈现也让它在预防山体滑坡中发挥了作用。
山体滑坡是常见的地质灾害之一，每年都有人因为山体滑坡损失财产甚至失去生命。了解山体滑坡的产生机制，观察山体滑坡的发生前兆，建立相应的滑坡预测系统，是减轻山体滑坡危害的重要手段。
利用激光雷达测绘得到的高精度数字高程模型（HRDEM）是帮助地质学家分析山体滑坡机理，建立预警模型的得力帮手。
研究山体滑坡，需要大量的滑坡数据作为研究素材。科学家们利用遥感卫星、激光雷达、航空相机等观测手段建立了滑坡清单地图。
地图标示出了各个地区以往滑坡的位置，滑坡的形貌，还包含该地区的降雨、土壤类型，地震震动程度等信息。利用滑坡清单地图，人们可以计算各区发生滑坡的可能性。
基于激光雷达测绘得到的滑坡清单地图，不同颜色的区域代表不同类型的山体滑坡右下角小地图中的红色色块代表深层滑坡，蓝色色块代表浅层滑坡。
图片来源：参考文献3
山体滑坡发生之前，滑坡底部会形成一定高度的隆起，坡面会产生裂纹。由于植被的覆盖，没办法凭肉眼或摄像机观测这些征兆，但借助激光雷达就可以很好的解决这个问题。
在山体滑坡高发的地方部署搭载激光雷达的无人机群，对坡面的表面形貌进行不间断的扫描观测，观测数据将有效提高我们预测山体滑坡的能力与准确性。
想要探寻某块土地过去发生的活动遗迹不是一件简单的事情，随着时间的流逝，不论是人类活动还是地壳变化留下的痕迹都会逐渐被大自然淹没。但是，激光雷达却给了我们重新认识“过去”的机会，让我们从“过去”的遗迹中寻找到对未来的启发。
参考文献：
[1] Erickson C L . An artificial landscape-scale fishery in the Bolivian Amazon.[J]. Nature, 2000, 408(6809):190-3.
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[3]Gorum, Tolga. Landslide recognition and mapping in a mixed forest environment from airborne LiDAR data.
[4]M, J, Lato, et al. Reducing Landslide Risk Using Airborne Lidar Scanning Data[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2019, 145(9).
[5]https://www.usgs.gov/faqs/what-difference-between-lidar-data-and-digital-elevation-model-dem
[6]http://m.app.cctv.com/video/detail/aa9c36ee6d92b0a7a7a98d2f86eb447c/index.shtml
出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
监制：中国科普博览
