土壤溼度主動被動衛星（SMAP）位於加利福尼亞州范登堡空軍基地的一個純白色無塵室中。它將於1月29日發射到太空，在那裡它將展開一個看起來像圓形柵欄的巨型天線。
該天線旨在收集來自下方426英里地球的訊號。對於SMAP（也稱為土壤溼度主動被動儀器）來說，地球看起來像一個巨大的碳和水玻璃室，類似於科學家約瑟夫·普里斯特利在1771年發現碳迴圈時的實驗。普里斯特利將一隻老鼠和一顆薄荷植物困在一個玻璃罐裡，發現植物吸入二氧化碳（CO2）進行光合作用，並撥出水蒸氣和氧氣，老鼠吸入後茁壯成長。碳被植物用於製造葉子和莖。
科學家們將使用SMAP進行他們的實驗，將地球視為他們的玻璃罐。在北極圈，雲杉、冷杉和松樹林形成了地球上最大的連片森林之一。這些北方森林和其他植被區就像薄荷植物。它們吸收大氣中的二氧化碳，科學家稱它們為淨“碳匯”，因為傳統上它們吸收約30%的化石燃料燃燒排放物。
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但隨著氣溫升高和夏季延長，阿拉斯加和北極地區的土壤一直在融化。森林變得更加乾燥，野火現在更加頻繁地肆虐，釋放出碳，因此科學家們不知道這些森林還能作為碳匯多久。測量是關鍵，這就是SMAP的任務。一旦它進入太空，它將提供最頻繁和最高解析度的測量資料，準確瞭解北部緯度的地面凍結程度。
蒙大拿大學弗拉特黑德湖生物站水文學教授兼SMAP科學團隊成員約翰·金博爾說：“問題是陸地碳匯的性質和穩定性；它基本上是未知的。”
這顆衛星還將有助於天氣預報和氣候建模，這需要準確的土壤溼度測量。SMAP的這種瑞士軍刀般的特性使其任務對國會極具吸引力，國會透過三屆總統任期資助了這顆衛星。
採取關鍵措施
這艘由精煉鋼和箔片組裝而成的宇宙飛船耗資9.15億美元，歷時二十多年才組裝完成。一些科學家在衛星的陰影下開始並結束了他們的職業生涯，在此過程中幫助開發了多個地球觀測雷達。
在1980年代初期，在馬里蘭州貝爾茨維爾的田地裡，時任農業部工程師，後來成為美國宇航局戈達德太空飛行中心水文部門負責人的特德·恩格曼和他的同事們嘗試了像爆米花那樣使用微波。他們向土壤發射了微波脈衝。反射能量的輕微變化告訴他們土壤的溼度。
土壤溼度是我們星球水迴圈的軸心。降雨進入土壤，植物從中吸收水分。當它們新增碳質材料時，植物會用作交換，用水蒸氣換取二氧化碳，很像普里斯特利的薄荷。撥出的水蒸氣形成雲，引發降雨，重新進入土壤。馬薩諸塞理工學院土木工程教授兼SMAP科學團隊負責人達拉·恩特卡比解釋說，整個過程類似於從支票賬戶中取款和存款。
他說：“土壤溼度是陸地上水的銀行賬戶。”
瞭解土壤溼度還可以揭示很多關於碳迴圈的資訊，碳迴圈是指碳進入空氣、被生長中的葉子捕獲、溶解在海洋中、融入方解石巖峭壁並被生物呼吸出來的過程。它還與能量透過地球的流動有關，因為水蒸發和凝結，形成冰、雲、蒸汽和液體。
這些過程發生在兩極，但在零度以下的溫度下，土壤中沒有那麼多水，而是冰。在凍土中升起的是泰加林，在過去的11500年中，它一直是碳的陷阱。當春天地面解凍，植物可以獲得水分時，這些森林就會充當碳匯，然後它們從大氣中吸收二氧化碳並開始生長。
SMAP將追蹤地球的解凍和再凍結，分成1.9平方英里的網格，這將幫助科學家瞭解北半球的碳匯。測量是關鍵，因為地球上超過一半的植被覆蓋面積——2500萬平方英里，相當於俄羅斯的四倍——在冬季凍結並停止光合作用。
隨著世界變暖，這種凍融迴圈似乎正在發生變化。弗拉特黑德湖生物站的金博爾說，科學家們注意到，在北部緯度，春天每十年提前大約一天半，但他們缺乏一個好的儀器來追蹤這種在全球範圍內的提前。
他說：“實際上，每年透過化石燃料燃燒排放到大氣中的二氧化碳有25%到30%被我們不完全瞭解的陸地過程從大氣中去除。”“如果我們不完全瞭解這些過程，那麼我們就真的不知道[氣候]變化的潛在脆弱性。”
尋求瞭解更多
恩格曼和他的同事們在1980年代，當工程師們首次開始從太空測量地球時，並不知道所有這些。從60年代開始，早期的陸地衛星拍攝了橫跨埃及和以色列的內蓋夫沙漠的照片。照片顯示，埃及一側過度放牧的土地看起來比以色列一側更潮溼、更肥沃的土地顏色更淺。
科學家們隨後推斷，如果從太空可以看到土地覆蓋的如此微小的差異，那麼它們可能可以被測量。“我們有一些朋友，我們時不時地聚在一起，我們開始感覺到遙感技術的潛力非常巨大。因此我們開始追求其中的一些，”恩格曼回憶道。
有了工具和設計，恩格曼和他的同事們開始研究發射微波的雷達。在90年代，他們使用飛機將他們的裝置飛過俄克拉荷馬州和賓夕法尼亞州的田野。他們很快就想要更多。
恩格曼說：“能夠將某些東西送入太空並能夠持續測量全球是非常有趣的事情。” “哦，我們夢想著它。”
這些夢想促成了太空梭上的儀器包，這些儀器包記錄了降雨、溫度和土壤溼度等。當太空梭經過俄克拉荷馬州的某個特定區域時，恩格曼和他的團隊會駕駛一架配備雷達的飛機沿著太空梭的路徑飛行。與此同時，研究生會挖掘土壤以記錄土壤溼度。同步測量是為了證實太空梭雷達的真實性。
那時很明顯，該裝置可以幫助瞭解氣候變化。大氣科學家建立了計算機模型，將地球分成網格，每個網格單元包含風、海洋、溫度和地球其他過程的演算法表示。土壤溼度是這些模型中的重要組成部分，但科學家們很少有來自世界大部分地區的測量資料。
麻省理工學院的恩特卡比說：“只有在西歐、北美和亞洲部分地區等工業化國家，我們才有這些測量資料，即使在那裡，資料也非常稀少。”
英國牛津郡生態與水文中心的Chris Taylor研究員說，自1990年代以來，氣候模型已經發展，但由於土壤溼度測量不完整，它們仍然會錯誤地處理關鍵的降雨過程。
在氣候模型中，降雨通常在中午左右以細雨的形式出現。在現實世界中，雨水大多在下午晚些時候落下。那麼，想象一下，科學家們模擬50年或100年後在東非、印度或加拿大北部森林的降水是多麼具有挑戰性，因為這些地區都受到非常不同的多種大氣現象的影響。
讓氣候模型看到真相
泰勒說，土壤溼度測量，尤其是SMAP將提供的詳細程度，將有助於科學家應對這一挑戰。以乾旱為例。科學家們需要了解土壤在缺水期間如何幹涸，以便在氣候模型中準確表示該過程的物理特性。如果沒有此類測量，“你最終可能會陷入錯誤，”泰勒說。
他說：“然後你執行這個模型，土壤變得更加乾燥，這轉化為降雨減少，然後你就陷入了乾旱。”
美國國家研究委員會在1999年的一份報告中闡述了土壤溼度測量的重要性，該報告建議美國宇航局將該裝置送入太空。
那是地球觀測的黃金時代。美國宇航局在1999年發射了Terra衛星，在2004年發射了Aqua衛星。這些任務的規模是前所未有的。
蒙大拿大學的金博爾說：“在2000年之前，我們沒有能夠處理那麼多資料的計算能力。”
隨著處理海量資料負載的成本下降，像 SMAP 這樣的專案變得可行。美國國家航空航天局（NASA）幾乎立即開始計劃發射土壤溼度衛星，但預算限制導致 2005 年的首次嘗試被擱置。
2008 年迎來了轉機，時任總統喬治·W·布什的預算為 NASA 的土壤溼度任務提供了資金。該裝置被命名為 SMAP，由加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室製造。它將在九天後由德爾塔 II 火箭發射升空。
一旦進入軌道，該衛星將會在兩極之間飛行，並每兩到三天測量一次全球的土壤。利用這些資料，NASA 將為科學家構建兩張地圖：一張解析度為 6.2 英里的土壤溼度地圖和一張解析度為 1.9 英里的凍融地圖。該衛星的探測深度為 2 英寸。
這些特性將使 SMAP 成為世界上最好、最全面的土壤追蹤器。其官方壽命為三年，但恩格曼表示，在太空涼爽、宜人的環境中，它可能會執行更長時間。
“因此，如果他們一開始就把它[SMAP]做得很好，那麼它很有可能執行很長一段時間，”恩格曼說。
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