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为什么要在世界之巅“捕捉”空气?

珠峰位于行星边界层与自由对流层过渡区,冰川风驱动空气循环交换,使高空臭氧下传,导致臭氧峰值出现在下午或深夜。为获取大气垂直剖面数据,科学家使用大疆EV50垂直起降无人机,在极端环境下实现低扰动、无排放采样,揭示污染物跨喜马拉雅山脉输送机制。

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    从测量珠峰究竟有多高,到钻取冰芯还原几十万年前的气候,再到架设自动气象站、观测高空大气……几十年来,科学家不断把新的研究课题带上珠峰,也让这里成为地球科学最重要的天然实验室之一。


    很多人觉得,珠峰之所以重要,就是因为它够高。但对于研究大气的人来说,高度只是结果,真正重要的是位置。如果把地球的大气层比作一间巨大的房间,珠穆朗玛峰恰好就是那扇最高、最特殊的“窗”,连接着我们每天呼吸的近地空气,也连接着更高空的大气。

    珠峰,为什么是研究地球空气的“最佳窗口”

    珠峰北坡大本营海拔5000米左右,恰好位于行星边界层与自由对流层之间的过渡区域。这里像是一扇半开着的“窗”,一边是我们熟悉的近地空气,另一边是更高空的大气。来自不同高度、不同地区的空气团在这里不断交换、混合,这也是珠峰能成为观察地球大气运动最理想天然实验室的原因。

    正因如此,很多科学家在这里一待就是很多年,也发现了一个耐人寻味的现象:按理说,珠峰人迹罕至,空气应该十分纯净,但海拔5000米附近测到的臭氧浓度却并不低,而且变化规律和城市完全不同——城市里的臭氧通常在中午光照最强时快速生成,峰值多出现在午后;而珠峰的臭氧峰值,却大概率会出现在下午,甚至深夜。

    这意味着,仪器捕捉到的,很可能不是当地生成的臭氧。在珠峰这样的高海拔区域,不同高度空气持续发生交换,测到的臭氧,甚至有可能跨越了数百公里才输送而来。这些臭氧究竟来自哪里?污染物又是如何翻越喜马拉雅山脉,来到“世界之巅”的?也正是为了回答这些问题,科学家一次次走进珠峰,在这里寻找地球大气循环留下的线索。

    珠峰有一部看不见的“滚筒洗衣机”

    说到空气影响,很多人下意识就会想到风。经过多年观测和数值模拟,科学家终于把目光锁定在珠峰特有的一种局地环流——冰川风。

    它的形成其实并不神秘。珠峰北坡终年覆盖着大面积冰雪,白天虽然阳光充足,但冰川表面升温缓慢,贴近冰面的空气始终保持较低温度。这些冷而重的空气会顺着山坡缓缓下滑,形成稳定的下坡气流,也就是冰川风。


    真正特别的是它的“混合能力”。在珠峰北坡的山谷中,冰川风与其他气流共同作用,仿佛一个缓慢运转的“滚筒洗衣机”,持续推动空气的循环交换。冷空气沿坡下沉,较暖空气在侧壁上升,不同高度的空气因此不断被卷入这一循环之中,并在过程中重新分布。

    在这种持续的空气循环下,部分高空空气会与低层空气发生交换,使得人们在5000米附近更容易观测到高空的臭氧特征,从而呈现出与城市完全不同的节律。

    理解这套机制,意义远不止破解臭氧之谜本身。珠峰位于青藏高原南缘,毗邻南亚污染源区。工业排放、燃烧产生的臭氧前体物和黑碳,是否能够跨越喜马拉雅山脉?又是沿着怎样的路径进入青藏高原,并进一步影响冰川消融、区域水循环甚至气候变化?这些问题,都需要更直接的观测证据。而困难也恰恰在这里:地面监测站只能告诉科学家某一个高度的数据,却无法揭示污染物在不同高度之间如何分布、如何输送。真正缺失的,是一条从地面延伸到8000米以上的大气垂直剖面。

    飞上珠峰只是第一步,“不打扰”空气更难

    那么,一个新的问题来了:怎样才能在8000米以上,连续获取不同高度的大气数据,同时又不影响空气本身?这就像是要求你评价一锅蛋花汤的口味如何,但又不能把勺子、筷子伸进去影响蛋花的形状。你得要能够到达8000米以上,按照要求反复采样,还不能排放尾气,更不能把原本层层分布的大气搅成一团。

    过去几十年,科学家尝试过不少办法。探空气球虽然能飞到高空,却只能随风飘移,难以重复同一路径采样;直升机和油动固定翼拥有航程优势,但发动机排放本身就含有臭氧前体物和黑碳,对大气观测来说,相当于一边取样一边“污染样品”。而普通多旋翼无人机虽然起降方便,却会持续产生较强的下洗气流,扰乱不同高度空气原本的分层结构。

    这也是为什么,在2026年的“巅峰使命”珠峰科考中,大疆全新垂直起降运载无人机 DJI EV50 成为了科研团队选择的新平台。它采用复合翼构型:起飞和降落阶段依靠8个垂直动力模块,不需要跑道,在海拔5200米的珠峰大本营即可完成起降;进入巡航后,则由3台推进电机驱动固定翼飞行,在完成约3700米爬升后,成功飞越8861米高度。相比持续依赖旋翼提供升力的无人机,固定翼巡航对周围气流的扰动更小,而纯电驱动也避免了尾气排放对臭氧和颗粒物采样的影响。


    真正的挑战,其实发生在飞行过程中。珠峰峰顶附近的大气密度只有海平面的约四成,低温最低可达零下20℃,还伴随着剧烈的垂直风切变。空气变稀,意味着升力下降;低温会让电池性能迅速衰减;风向和风速的瞬间变化,则可能让飞行器面临失速风险。为此,DJI EV50配备了电池自加热系统、空速管加热装置,以及能够实时感知空气密度、自动调整推力和飞行姿态的飞控系统,在极端环境下仍保持稳定飞行,为连续获取高空大气数据提供了保障。

    对于这次珠峰科考而言,无人机的意义已经不仅仅是“飞得更高”。它更像是一座移动的大气观测平台,把过去难以获取的垂直剖面数据带回地面,也让人类第一次能够以更低干扰、更高精度的方式,观察珠峰上空那片不断流动的空气。

    从“飞得起来”到“读懂珠峰”

    对于无人机来说,珠峰一直都是最严苛的考场。这里有稀薄的空气、极低的气温、复杂的风场,任何一项都足以让飞行性能大打折扣。因此,大疆与珠峰的故事,并不是从这次大气科考开始的,而是已经持续了17年。

    2009年,大疆创始人汪滔首次在珠峰地区验证飞控系统能否适应高海拔环境;随后几年,从ACE ONE飞控到Phantom系列,无人机不断刷新高原飞行能力。


    2024年,Ma vic 3完成珠峰峰顶航拍,无人机第一次以影像记录下世界之巅;同年,FlyCart系列又将无人机带入物资运输和应急救援场景,完成高海拔物资补给、垃圾清运、医疗物资投送等任务。


    到了2026年,除了运输平台,运载无人机FC100和测绘无人机M4E又参与到珠峰登山保障和昆布冰川三维建模等过程中。短短几年间,无人机在珠峰完成了一次角色转换——从记录者,逐渐成为高原作业和科学考察的一部分。

    这种变化,其实也折射出无人机技术的发展方向。过去,人们更关注它能飞多高、飞多远;如今,它开始承担越来越多过去只能依赖人力完成的任务:运输物资、辅助救援、测绘冰川、采集大气数据。飞行本身,正在成为一种服务于科学探索的能力,而不是最终目的。

    回到最初那个问题:为什么科学家要去珠峰测臭氧?答案或许并不仅仅是为了弄清一种气体的来源,而是为了更准确地理解地球的大气如何流动、污染物如何跨越山脉、气候又如何影响冰川和生态。而像无人机这样的新工具,则让人类能够以更安全、更高效的方式,触及那些过去难以抵达、也难以持续观测的地方。

    真正被突破的,从来不只是飞行高度,而是人类认识这颗星球的边界。

    参考文献
    [1] Downward transport of ozone-rich air near Mt. Everest: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2006gl027726
    [2] Glacier winds in the Rongbuk Valley, north of Mount Everest: 2. Their role in vertical exchange processes https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007JGRD..11211102C/abstract

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