用人造衛星記錄候鳥的長途遷徙路線

fans news 發佈 2022-01-30T08:44:26+00:00

為了保護瀕危的候鳥,研究鳥兒的遷徙行為,發現候鳥的越冬地和遷徙途中的停留地,。科學家一直希望能隨時跟蹤候鳥的遷徙過程。科學家首先採用衛星無線電遙測技術跟蹤鳥類的遷徙過程。Argos衛星系統是專為科學家跟蹤動物和保護地球環境而設計的衛星無線電遙測系統。

為了保護瀕危的候鳥,研究鳥兒的遷徙行為,發現候鳥的越冬地和遷徙途中的停留地,。科學家一直希望能隨時跟蹤候鳥的遷徙過程。科學家首先採用衛星無線電遙測技術跟蹤鳥類的遷徙過程。Argos衛星系統是專為科學家跟蹤動物和保護地球環境而設計的衛星無線電遙測系統。Argos是高級科學研究和全球觀測衛星(The Advanced Research and Global Observation Satellite)的英文縮寫。Argos衛星系統可接收全球高頻無線電信號,專門用於接受和轉發地球表面科學觀測設備發出的無線電信號。科學給鳥兒戴上Argos信號發射器,作為鳥兒跟蹤儀。目前Argos衛星系統由7顆人造衛星組成,每顆衛星經過地球的南北極,繞地球高速飛行,繞地球一圈的時間為100分鐘,衛星軌道的高度為850km。每顆衛星可接受其下方直徑5000千米範圍內的地球表面發送的高頻無線電信號。無論鳥兒飛到地球何處,Argos衛星都可以接收鳥兒跟蹤儀發出的無線電信號。

Argos衛星接收到鳥兒信號發射器的信號後,能立刻計算出鳥兒的位置。這是因為Argos信號發射器以固定頻率(401.650 MHz)向衛星發送無線電信號,當衛星高速接近鳥兒時,衛星接收到的信號頻率會高於固定頻率,當衛星遠離鳥兒時,接收到的信號頻率會低於固定頻率。這種現象在物理學中稱為都卜勒效應。Argos衛星利用無線電信號的都卜勒效應和自己在空中的位置,計算出鳥兒的位置。然後,Argos將鳥兒的位置數據發送給地面站,地面站再將數據發送給研究人員。可是,科學家並不滿意這種跟蹤鳥兒的方式,一是Argos定位不准,誤差可達幾百米,有時甚至達幾公里,不能準確地跟蹤鳥兒的遷徙路線和途中停留位置;但最大的不足是Argos的通信容量有限,使用Argos系統的費用較高,科學家不能用這種方法跟蹤大量的鳥兒。

為了準確地、經濟地和大範圍地跟蹤鳥類的遷徙過程,研究者考慮使用全球導航衛星系統(GNSS)為鳥兒定位。目前世界上有4種全球導航衛星系統,分別為中國的北斗,美國GPS,俄羅斯GLONASS(格羅拉斯)和歐洲的伽利略衛星系統。研究者給這些鳥兒戴上GNSS接收機,跟蹤鳥兒的飛行路線。就像我們每個人手機中的GNSS接收機,鳥兒身上的GNSS接收機不嚮導航衛星發送信號,而是從導航衛星接收信號,且同時從多個導航衛星接收信號。這些導航衛星將自己在空中的準確位置和在該位置的準確時間免費發送給GNSS接收機。GNSS接收機可根據這些信息,計算出自己的位置,誤差範圍僅為5米!這樣科學家就可以監測鳥兒的準確飛行路線和途中停留的位置和時間,GNSS接收機價格低廉,而且使用GNSS系統精確定位沒有額外的費用。

我們用手機中的GNSS接收機定位後,可以將自己的位置通過網際網路告訴別人。但鳥兒不會將自己的位置告訴科學家,實際上,鳥類長途遷徙經過的絕大部分地方也沒有網際網路。科學家只能重新捕獲這些鳥兒,將GNSS接收機中保存的記錄取出,才有可能分析鳥兒的遷徙路線。但再次捕獲帶有GNSS接收機的鳥兒比較難,科學家往往是一無所獲。解決的辦法是為GNSS接收機裝上一個無線電發射器,將鳥兒的位置信息發送出去,並在鳥兒可能經過的地方建立一系列的無線電接收站。科學家可從這些接收站獲得鳥兒遷徙飛過的路線和停留過的地方。這個方法可準確地跟蹤大量候鳥的中短距離遷徙。但由於目前地面接收站的數量還比較少,這個方法還不適合監測全球長途遷徙的候鳥。

為了準確地且實時地跟蹤長距離遷徙的候鳥,研究者為GNSS接收機裝上Argos無線電發射器,為長距離遷徙候鳥定製了Argos-GNSS衛星跟蹤器。Argos衛星接受到的電子跟蹤器發送的無線電信號,不用計算跟蹤器的位置,而是直接將信號轉發到Argos地面接收站。地面接收站提取鳥兒的位置和時間信息,通過全球網際網路發送給科學家。這樣,戴上Argos-GNSS衛星電子跟蹤器的候鳥不論飛到地球何處,科學家能在幾分鐘內確定候鳥的位置和在該位置停留的時間,還能確定候鳥的飛行速度。

隨著微電子技術的發展,集成電路晶片的體積越來越小,重量越來越輕。目前最輕便的Argos-GNSS衛星跟蹤器,重量僅為 3.5 克,大小和一枚硬幣相當。這種小型的衛星電子跟蹤器可綁在小鳥的背上,跟蹤器配有太陽能電源,可保證在候鳥一生的飛行中供電。

利用衛星跟蹤器,科學家首次記錄到了候鳥超強的連續飛行能力。2007年,科學家在阿拉斯加為16隻條尾鷸安裝了衛星跟蹤器,記錄這些候鳥從阿拉斯加繁殖地飛往紐西蘭越冬地的遷徙路線。科學家發現這些條尾鷸的長途遷徙不是沿著海岸線邊飛邊停,而是不間歇地飛越浩瀚的太平洋,直接來到紐西蘭越冬地。其中一隻雌性條尾鷸,不間斷飛行9天跨越太平洋,連續飛行距離達11498公里。這是科學家首次記錄到鳥類連續飛行的最長距離。2020年,這個記錄被打破了,科學家記錄到一隻雌性條尾鷸連續飛行距離為12000公里,不過這次飛行經歷了11天。

很多候鳥都有連續飛行的能力,那麼候鳥在長途飛行中是否睡覺?目前有些科學家認為,鳥類的大腦分別由左右兩個半球組成,鳥在飛行時讓大腦一半處於休眠狀態,而另一半處於工作狀態。這樣候鳥就可以長時間地保持正常的飛行和導航功能。利用衛星跟蹤器監測連續飛行後鳥類的活動,可能有助於回答鳥類在飛行中是否睡覺的問題。如果候鳥在連續飛行後,出現大量時間靜止不動的狀況,表明候鳥可能正在補充睡眠。但如果候鳥在連續飛行後僅做了短時間的休息,則表明候鳥可能有一種特殊的生理機制,能在飛行中睡覺。要得出正確的結論,科學家需要積累大量的觀測數據。

現在的智能電子手錶能準確地監測人體的血壓和心率,科學家也希望將這些生物監測晶片集成到候鳥跟蹤器中,實時監測候鳥遷徙中身體的變化。科學家也希望同時將測量氣壓和空氣濕度的晶片集成到候鳥跟蹤器中,實時監測候鳥遷徙中的環境變化。隨著晶片技術的快速發展,這些都有可能在不遠的將來實現。

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