兴趣为师 攻关科研:西安理工大学学子揭秘100KM的高层大气所蕴含的奥秘

搜狐城市-西安

04/07 10:36

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奋斗是青春最亮丽的底色,西安理工大学八名学子,奋斗几百个日日夜夜,为了研究地球上空高层大气的秘密,以梦为马,不负韶华,不断求知探索,勇往直前,奋力书写属于自己的青春故事。

这八名学子来自3个不同的学院,4个不同的专业,因对深邃广阔的蓝色星空充满兴趣,而在该校理学院唐远河教授的《大学物理》课堂上相识相聚。他们被一张极光图片所吸引,自愿组成了一支跨学院的科研小队,致力于研究地球上空高层大气的秘密。

图/团队成员

图/团队成员

图/团队成员

图/团队成员

一台能拍摄微光的特殊“照相机”

以兴趣为支撑,有名师做引领,2019年11月,这支由八名“小白”组建的跨学院的科研小队,逐渐参与到有关地球上空气辉体发射率VER(volume emission rates)、大气温度和风速的研究与探测中来。气辉很微弱,需要用特殊的成像干涉仪才能观测,一年半以来,在唐远河老师和李存霞老师的带领下,团队成功研制出一台微光成像干涉仪GBAVTII(Ground based atmospheric VER & temperature imaging interferometer)样机,以观测地球上空80-120km的氧气(0-1)气辉,并以峰值高度在94km的氧气(0-1)的12条近红外谱线作为光源。

图/唐远河老师正在指导团队成员进行研究

这台长相类似长焦相机的仪器可实现每隔3min对中高层大气体发射率VER和大气温度的高精度探测,队员们在自建网站上记录GBAVTII探测得到的VER和大气温度数据,这在我国中高层大气探测领域较为少见。

图/GBAVTII样机特写

图/正在拍摄的GBAVTII仪器

探测中高层大气体发射率有何意义?它与我们的生活有哪些密切关联?队员张婉莹介绍道:“中高层大气虽然与我们生活的地面距离遥远,但是中高层大气中含有金属离子层,其分布对卫星及飞行器的通讯信号有着重大的影响。气辉的光化学反应关系到太阳与地球间的空间物理规律,气辉粒子的浓度与空间站附近环境也有关联。”肖禄祺补充道:“中高层大气时刻影响着我们日常生活的通讯、广播及天气情况,比如即将举行的十四运,其实时直播、气象环境预测等都与中高层大气的特征参数息息相关,所以研究地球中高层区域大气活动规律具有至关重要的现实意义。”

一段充满艰辛的难忘旅程

科研成果来之不易。从刚接触气辉到现在的近两年时间里,八名西理工学子克服困难重重,为着梦想坚定前行。

2020年伊始,受新冠肺炎疫情影响,大家各自在家中上网课,队员之间无法碰面。但那时团队的研究项目才初生萌芽,为了使项目不受影响,队员们每天利用视频会议进行线上讨论和沟通,几个月来无人缺席、从未间断。

“尽管网络可以把我们连接起来,但视频交流和线下交流还是有区别。同时,我们迫切需要收集实际数据作为研究基础。我们盼望着能够尽快见面。”肖禄祺说道。

图/唐远河老师与部分团队成员合影

国内疫情得到有效控制后,征得了家人和唐老师的同意,2020年暑假,七名男生从全国各地奔向西安,他们租下两间小小的房间,冒着酷暑开展社会调研和项目研究。“我们的预算很有限,所以在硬件设施上能省就省。七个男生挤在两个房间里,床不够睡,就轮换着打地铺睡地板。炎炎夏日,房间里只有一台空调,每天都热得坐立难安。但是,在这样艰苦的环境中没有人叫苦喊累,大家都铆着一股劲,想把手上的项目做好。”段德胜介绍着当时的情景。

图/团队成员在曲江校区教室进行研究

图/团队成员在金花校区教二楼进行研究

成员们前往西安市某热电厂开展调研。“厂里的水泥地面被晒得白花花的,直刺得人睁不开眼。但让人开心的是,厂里的工程师热情接待了我们,耐心解答我们提出的问题,我们收获不少。”队员刘诗遥回忆道。他们还前往西安市生态环境局和碑林区生态环境局采集数据,工作人员也就他们提出的问题给出了严谨而又准确的回答。“有了扎实充分的调研数据作为基础,我们对研究更有信心了。”胡卓群说道。

与调研工作同时进行的还有GBAVTII的组装、定标、正演等工作。正演时通过计算机模拟GBAVTII的探测而编程得到相关结果,无数次地修改软件和爬虫,磨练打造出了队员们的两项软件著作权和一项发明专利。

暑期社会调研结束了,八位队员迎来了新学期,他们怀着热情和憧憬返校,项目研究也正在紧锣密鼓地向前推进。

一个欢呼雀跃的晴朗夜晚

科研的道路上充满酸甜苦辣,吃过苦,自然也感受过“甜”,最让队员们激动的莫过于那个令人难忘的、晴朗的夜晚。

图/队员鲁元博(左)与胡卓群(右)正在调试原理实验仪器

理论上已知,GBAVTII可以拍摄得到高层大气氧气(0-1)分子辐射出的辉光,研究中也已选择特定窄带滤光片对入射光进行过滤筛选,推断由此可得到目标12条辉光谱线在光学镜头中的折射与干涉现象,最后将在相机屏幕上呈现一层层“同心圆”干涉条纹,条纹之下便蕴含了大气的秘密。

图/夜晚,队员张婉莹(左)和胡卓群(右)在调试GBAVTII仪器场景

理论推演经过了无数次的验证,实验的样机也成功搭建,万事俱备,只欠“晴夜”。2020年夏秋之交的一个晴朗夜晚,队员们簇拥着GBAVTII样机登上曲江校区教9楼的天台,安装、开机、瞄准......未央的夜和黯淡的辉光飘落进镜头,在镜筒中发生奇妙的折射与干涉,微弱的光电流信号极速而准确地游走在计算机内部的铜印中,传递的是大家齐心协力取得的成果,计算机编码转换成GBAVTII探测到的大气温度及VER数据点亮了屏幕......他们完成了从理论到实践的飞跃!队员们激动相拥,欢呼雀跃。

图/2020年9月16日,GBAVTII探测西安上空94km处间隔3min的氧气(0-1)气辉IER变化曲线

“印象中,那天晚上刮着微凉的夜风,周遭一片安静,只剩下睡去的城市和雀跃的我们。”回忆起当时的情景,队员张婉莹仍难掩激动之情。

图/“挑战杯”校赛立项答辩场景

研究仍在继续。接下来,西安理工大学唐老师、李老师及八名队员将带着他们的研究项目向“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛发起冲击。

疫情期间不间断的线上例会,炎夏中自发的社会调研,每周末的课堂之余挤出空闲做研究……任何困难与挑战都未能动摇队员们求知探索、勇往直前的决心和勇气,为奋勇争先的西安理工大学学子们点赞!

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