地球

关注淡水：通过预测旱灾和洪水，跟踪藻类的爆发，美国国家航空航天局（NASA）对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。 版权：NASA /Katy Mersmann NASA的卫星是研究和说明水的重要工具，因为水分不断地循环，从水蒸气到通过降雨和降雪的形式落在土壤里，再到地面和地面以下。由于温室气体导致地球大气变暖，卫星数据记录也越来越长、越来越详细，科学家们正在研究气候变化是如何影响水资源分布的。 研究发现，各种趋势正在开始出现，特别是洪水和旱灾的频率和严重程度将出现极端情况。这些趋势影响着从当地天气到农作物生长地的方方面面，其后果将在当前和未来几个世纪波及整个社会。 当考虑到地球上水资源分布的变化时，不仅要知道哪里下雨或者不下雨，还要知道雨量多少，以及大雨和小雨下得多频繁。降雨量会影响土壤的饱和度，以及溪流和河流的水位，从而改变它们在另一场风暴中容纳更多雨水的能力。缺少雨水会对植被和补充水源造成压力，而当降雨频率增加时，这些水源在下一个干旱期之前很难得到恢复。 随着更多的强降雨事件，各社区出现小型洪水的可能性将增加。 版权：NASA NASA的卫星数据和地面测量数据支持对水资源分布长期变化的研究。其中之一是美国国家气候评估（U.S. National Climate Assessment），该报告研究气候变化及其对美国各区域产生的潜在影响。 例如，在这些变化中，美国各地观测到的特大降水事件有所增加。从1958年到2016年，美国东北部各州的暴雨事件增加了55%，中西部各州增加了42%，东南部各州增加了27%。西部各州的暴雨事件也有小幅增加，摧毁了当地集水区吸收过量降水的能力。 水文学家克里斯塔•彼得斯-利达德（Christa Peters-Lidard）是位于马里兰州绿带的NASA戈达德太空飞行中心的地球物理学家，同时也是水文和生物圈部门副主任。Peters-Lidard表示：“当你考虑改变降水分布的时候，你就会开始想，如果降雨量增加，就意味着洪水泛滥。如果将有更多的暴雨事件发生，很大可能会发生在没有洪水防御设计的地区，这意味着我们需要考虑如何将我们的基础设施设计得更有能力适应更多暴雨事件，并对我们设计一些桥梁和排水系统的方式进行反思。” Peters-Lidard对不断变化的暴雨模式对在不同条件下建立的社区所造成的实际影响并不陌生。在过去的五年里，她的家乡马里兰州埃利科特市（Ellicott City）经历了两场千年一遇的大洪水，摧毁了许多企业和房屋。她说：“这对社区造成了毁灭性的影响。”为了应对洪水和可能发生的更多小型洪水事件，她表示：“我们正在重新考虑主要街道，以及我们应该在哪里重建、不应该在哪里重建。” [rml_read_more] NASA的科学家们利用树木年轮来了解过去的旱灾情况，并结合土壤水分数据建立气候模型来估计21世纪未来的旱灾风险。 版权：NASA 但是，尽管一些地区预计将变得更加潮湿，其他地区将变得更加干燥。越来越高的气温和不断改变的降水模式可能导致旱灾，且NASA的研究表明人类已经影响全球干旱模式近一个世纪。 NASA戈达德太空研究所和和美国纽约哥伦比亚大学的研究人员凯特•马弗尔（Kate Marvel）和本•库克（Ben Cook）使用历史气象数据和树木年轮计算的干旱地图，研究人类对20世纪干旱模式的影响。他们发现，早在20世纪初，就出现数据“指纹”，即一种预计会随着温室气体排放而发生的干燥和湿润的模式。 根据这种“指纹”预测，亚洲部分地区将因温室气体排放而变得更加潮湿，而美国西南部、中美洲和欧洲地区将变得更加干燥。当研究人员将这些数据与实际数据进行对比时，发现这种模式出现于20世纪初。它在1950年后短暂下降，大概是由于大气污染程度较高，但在最近几十年又重新出现，而且越来越强。 Cook表示，证明人类在过去影响了全球干旱模式是理解我们在未来可能如何影响这些模式的一个重要部分。 Cook说：“气候变化不仅仅是未来的问题，该研究表明气候变化已经在影响全球旱灾、水文气候、趋势和变化模式，并且现在正在发生当中。我们预计，如果我们继续让世界变暖，这些趋势就会一直持续下去。” 展示气候模型准确描述过去旱灾的能力，有助于确认它们模拟未来旱灾的能力。Cook的另一项研究显示，如果温室气体排放沿着目前的轨迹继续增长，美国西南部的“超级飓风”可能会持续30多年。Cook和他的团队运行了17种不同的气候模型，这些模型结果均显示未来可能会出现更长时间且更严重的旱灾。 该团队也是第一个将他们的预测结果与远古的关于旱灾的古气候记录进行比较的团队，比如1100年至1300年间的北美旱灾。这使他们能够研究比现代记录中任何旱灾都严重的旱灾，并了解如何与预测的未来旱灾进行比较。他们发现，未来的“特大旱灾”持续的时间可能与以往旱灾一样长，甚至更长，而且可能会更干旱。 根据这些气候预测，淡水的未来将充满极端：旱灾将在一些地区对动植物和人类的安全、健康、食物和水供应构成严重挑战，而洪水也将在其他地区造成同样的后果。随着淡水在地球上流动，NASA的科学研究不仅在预测这些极端挑战方面至关重要，同时也对应对这些挑战的准备方面至关重要。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/earth-s-freshwater-future-extremes-of-flood-and-drought

地球磁层会像鼓一样“轰隆作响”  版权：E. Masongsong/UCLA, M. Archer/QMUL, H. Hietala/UTU 美国的各个大学关于一个问题争论了很久：到底谁拥有世界上最大的鼓？有望摘得这一桂冠的巨鼓包括“普渡大学大低音鼓”（Purdue Big Bass Drum）和“大贝莎”（Big Bertha）。“大贝莎”鼓这个有趣的名字来源于一战时期德国著名的榴弹炮，可惜这面大鼓的结局比较悲惨，它在二战时的曼哈顿计划中被放射性物质污染了。 然而对美国人来说不幸的是，吉尼斯世界纪录认为，将这一头的真正拥有者应该是韩国的传统长鼓：“CheonGo”鼓，这面巨鼓直径5.5米，高约6米，重量超过7吨。但是，最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究，能让所有竞争上述的对手黯然失色，因为世界上真正的巨鼓之王，其实比我们的地球还要大上几十倍，而它存在于太空中。 [rml_read_more] 你可能觉得我在胡说八道，但实际上，包围地球的磁场，也就是地球磁层（magnetosphere），就是一种复杂的巨型乐器，它能让太阳风粒子发生偏转，从而保护我们免受这种高能粒子的侵害。其实早在五十多年前我们就已经知道，磁性较弱的声波会在地球磁层中不停反弹、共振，产生一个个鲜明独立的音符，和风与弦乐器相互作用的发声方式如出一辙。只是这样产生的声音的频率比人耳能辨识的下限还要低数万倍，所以磁层内的这件鼓式“乐器”一直都存在，但直到最近我们才发现它。 鼓这种乐器的关键在于它的表面，专业一点来说就是它的膜，因为鼓是一种膜鸣乐器（membranophone）。当敲击鼓的膜时，产生的振动涟漪在表面传播开来，碰到固定的边缘再反射回来，两种波相遇就会产生“驻波”（standing wave）：鼓膜上一些特定的点保持静止，而其他的点则上下振动。这种特殊的驻波模式以及相关的波动频率完全由鼓表面的形状所决定。事实上，“通过听音能否判定鼓的形状”这个问题，从上世纪六十年代起就引起了数学家的兴趣，如今仍悬而未决。 地球磁层的外部边界面被称为磁层顶（magnetopause），性质非常接近弹性膜，随着太阳风的强度不同，磁层顶会膨胀或收缩，从而产生表面波，在磁层顶上传播开来。科学家比较常关注的是这些波如何从磁层侧面向下传播，但实际上它们也应该会向磁极传播。 物理学家往往会将复杂的问题极大地简化，以便看到问题的本质。在45年前，这种方法曾帮助理论学家率先证明：这些表面波确实可能会反射回来，让磁层像鼓一样振动。但如果移除掉一些简化因素之后， “鼓膜理论 ”是否就会无法成立了呢？我们现在还无从得知。 此外，如果要证明这个理论，卫星数据中似乎也难以找到令人信服的观测证据。不同于天文学，空间物理学所处理的问题通常都是看不见摸不着的，没办法只通过到处拍照来作研究，我们还得发射卫星然后进行测量；但是这又意味着，我们只能了解有卫星的位置所发生的情况，难就难在卫星能否在正确的时间达到正确的位置，并找到我们需要的东西。 在过去的数年中，伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）的马丁•阿彻（Martin Archer）和同事进一步发展了磁性鼓理论，希望能在数据中搜寻到可验证的特征。研究人员其实可以为这些振荡提供严格的证据，只是这意味着至少需要在磁层顶附近有4颗排成一行的卫星。 幸运的是，NASA的热辐射成像系统（THEMIS）不只有4颗卫星，而是有5颗卫星给研究人员使用，接下来需要做的就是找准时机，也就是“鼓槌击鼓”的那一刻，然后测出“鼓面”会如何反应、如何发声。所谓的“击鼓”，实际上是一股高速粒子猛烈冲击磁层顶，一旦发生了，那么一切就会变得明朗。研究人员还重现过鼓声实际听起来的样子（见视频）。 这项研究真实地展现了科学的狡猾之处：听上去相对简单的东西，却花了我们整整45年的时间来证明。发现探索之旅仍是前路漫漫，接下来研究人员希望找到这种鼓式震动在地球甚至其他星球发生的频率，以及它们对太空环境的影响：还有很多工作需要完成。 这一切终将帮助我们解开磁层的节奏律动之谜。 参考： [1]https://theconversation.com/weve-discovered-the-worlds-largest-drum-and-its-in-space-111465 [2]https://www.nature.com/articles/s41467-018-08134-5

从左上角，依次是全球的陆地覆盖和海洋颜色数据，明显的波高，局部的海平面趋势，海面温度，磁场变化，NASA的蓝色弹珠，全球的城市足迹，重力大地水准面，洋流，臭氧，二氧化氮，火灾热点）。 [rml_read_more] 12种不同角度看到的地球