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地球科学家能否创造出相当于詹姆斯·韦伯太空望远镜的设备?

詹姆斯·韦伯太空望远镜以宇宙图像令公众惊叹。地球科学家可以追求什么样的“宏大构想”项目来激发同等程度的公众兴奋感?

作者:Erik Klemetti
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图片来源:NASA, ESA, CSA, and STScI

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宇宙大爆炸后的原始火焰。遥远行星围绕另一颗恒星运行的大气层。太空中闪耀的、高耸的星际尘埃柱。这就是NASA新发布的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的图像所呈现的。这些深入宇宙(和时间)的新视角如此重要,以至于连总统都参与向全球公众展示。JWST是一项技术奇迹,将改变我们对宇宙的理解。

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这就引出了我的问题:地球科学需要付出什么才能拥有一个在提供新数据和吸引公众想象力方面可与JWST匹敌的天文台/仪器?天文学家(在某种程度上)比较容易,因为像JWST这样的太空望远镜拍摄的图像在美学上令人惊叹(至少是他们重点展示的那些)。它们代表了没有JWST人类无法获得的视角,并将我们带到人类可能永远无法到达的地方。

然而,地球科学似乎不像物理学家和天文学家那样热衷于大型、昂贵的项目。是缺乏这样的雄心,还是该学科的性质使其没有JWST的同等或潜在同等物?

我与一群地球科学家交谈,并获得了一系列过去的“高调”项目。以下是其中的一小部分:

  • EarthScope这个巨大的、移动的地震仪阵列横跨北美大陆。它让我们以前所未有的详细程度了解了北美大陆的结构和地震活动。

  • IODP国际海底钻探计划 (IODP) 通过海洋沉积物和洋壳结构,揭示了关于地球过去的巨量信息。

  • 俄罗斯科拉超深钻孔主要因为它是有史以来最深的钻孔,达到了约40,000英尺(约7.5英里/12公里)。

  • 绘制洋中脊图20世纪中叶至今,这项工作创建了海底的高度详细地图,特别是洋中脊,开启了板块构造时代。

  • 来自太空的全球地表每日覆盖 - 包括 陆地卫星 (LandSat)Terra/AquaGOESPlanet25年前,除非有船只恰好经过,否则我们无法得知印度洋偏远无人岛屿上的火山爆发。现在,我们可以实时看到地球上发生的细微变化。

所有这些都是雄心勃勃的项目,为我们提供了新颖而大胆的发现(尽管并非总是成功,例如莫霍尔计划 (Project Mohole))。

但我们如何超越这些呢?哪些关于我们星球的洞察力能够吸引所有人的目光(不仅仅是我们地球科学家/技术宅)?让我们来推测一下!

探测活动中的火山

地球上有许多火山拥有活跃的熔岩湖。我们能否开发一种自主无人机,可以投入熔岩湖中,并深入火山的岩浆系统?我们可以直接观察或测量正在活跃喷发火山内部的条件。另一方面,请记住,熔岩比水密度和粘度大得多……而且温度也高一点,对吧?我们如何检索收集到的数据?无论如何,这确实触及了儒勒·凡尔纳的梦想,即探索我们星球的内部。

建造一艘最先进的钻探海底的船只

我们从IODP获得的许多知识都来自于JOIDES Resolution号的工作,这是一艘大型科研钻探船。然而,它建于1978年,经过40多年的服务后即将退役。然而,尚未确定资金来更换这艘船,建造一艘最先进的钻探船来继续其工作。Resolution号可以在超过5公里的洋深处钻探数公里深的海底。新船可以设计成可能钻探到地幔,那里的洋壳最薄,更重要的是,可以继续Resolution号和Glomar Explorer号开始的工作。

实时米级板块运动地图

我们知道地球是动态的——这要归功于板块构造。然而,我们测量变化的大多数方法要么是解释过去运动的证据,要么是使用带有GPS站点的位置来提供点数据。能否设计一种方法,将来自轨道的地球观测、GPS和InSAR(合成孔径雷达)或LIDAR相结合,以显示持续的、细微的运动?这可能需要巨大的计算能力来处理数据,但它可能允许对地壳中的应力和运动进行更细致的评估。

全球性的EarthScope

北美大陆的EarthScope项目取得了巨大成功。下一步可能是将EarthScope推广到全球所有大陆。然后就可以在不同大陆之间进行比较。一旦我们将洋底也纳入EarthScope,我们就能创建地球地壳的三维地图。

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钻探彗星、小行星或月球

我们在了解太阳系原始物质(如彗星、小行星和月球)方面已迈出初步步伐。我们甚至从其中一些物质中取样,但大多数只是刮了一下表面。如果我们登陆谷神星的盐山、欧罗巴的冰、土卫六的表面并开始钻探,我们会发现什么?探索这些天体的内部可能会揭示许多人希望找到的东西(生命?),但更重要的是,了解其内部成分的洞察力将值得投资和承担风险。

火星上的地球科学家

也许最好的目标是确保当我们离开地球时,地球科学家是最早前往的。绘制和直接观察火星等另一颗行星或访问我们的月球,不仅可以揭开这些地方的秘密,还可以让我们更深入地了解我们自己的星球。即使其中一些任务的目标可能是殖民或资源开发,我们也需要对任何地方的当地地质有扎实的基础……尽管我们不知道这些行星或月球上是否有生命,但我们知道它们都有岩石。

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我意识到这些项目需要大量的资金、政治资本和时间才能实现。然而,没有这些“宏大梦想”,我们有时就会陷入边缘玩耍的境地。人类的进步是由科学好奇心和冒险精神驱动的。创造一个所有科学家都能做到这一点——或者至少能提出大胆的探索想法——的环境,应该是21世纪中叶的主要目标。否则,我们将不得不走别人为我们的未来设定的道路。

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