土壤湿度主动被动卫星（SMAP）位于加利福尼亚州范登堡空军基地的一个纯白色无尘室中。它将于1月29日发射到太空，在那里它将展开一个看起来像圆形栅栏的巨型天线。
该天线旨在收集来自下方426英里地球的信号。对于SMAP（也称为土壤湿度主动被动仪器）来说，地球看起来像一个巨大的碳和水玻璃室，类似于科学家约瑟夫·普里斯特利在1771年发现碳循环时的实验。普里斯特利将一只老鼠和一颗薄荷植物困在一个玻璃罐里，发现植物吸入二氧化碳（CO2）进行光合作用，并呼出水蒸气和氧气，老鼠吸入后茁壮成长。碳被植物用于制造叶子和茎。
科学家们将使用SMAP进行他们的实验，将地球视为他们的玻璃罐。在北极圈，云杉、冷杉和松树林形成了地球上最大的连片森林之一。这些北方森林和其他植被区就像薄荷植物。它们吸收大气中的二氧化碳，科学家称它们为净“碳汇”，因为传统上它们吸收约30%的化石燃料燃烧排放物。
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但随着气温升高和夏季延长，阿拉斯加和北极地区的土壤一直在融化。森林变得更加干燥，野火现在更加频繁地肆虐，释放出碳，因此科学家们不知道这些森林还能作为碳汇多久。测量是关键，这就是SMAP的任务。一旦它进入太空，它将提供最频繁和最高分辨率的测量数据，准确了解北部纬度的地面冻结程度。
蒙大拿大学弗拉特黑德湖生物站水文学教授兼SMAP科学团队成员约翰·金博尔说：“问题是陆地碳汇的性质和稳定性；它基本上是未知的。”
这颗卫星还将有助于天气预报和气候建模，这需要准确的土壤湿度测量。SMAP的这种瑞士军刀般的特性使其任务对国会极具吸引力，国会通过三届总统任期资助了这颗卫星。
采取关键措施
这艘由精炼钢和箔片组装而成的宇宙飞船耗资9.15亿美元，历时二十多年才组装完成。一些科学家在卫星的阴影下开始并结束了他们的职业生涯，在此过程中帮助开发了多个地球观测雷达。
在1980年代初期，在马里兰州贝尔茨维尔的田地里，时任农业部工程师，后来成为美国宇航局戈达德太空飞行中心水文部门负责人的特德·恩格曼和他的同事们尝试了像爆米花那样使用微波。他们向土壤发射了微波脉冲。反射能量的轻微变化告诉他们土壤的湿度。
土壤湿度是我们星球水循环的轴心。降雨进入土壤，植物从中吸收水分。当它们添加碳质材料时，植物会用作交换，用水蒸气换取二氧化碳，很像普里斯特利的薄荷。呼出的水蒸气形成云，引发降雨，重新进入土壤。马萨诸塞理工学院土木工程教授兼SMAP科学团队负责人达拉·恩特卡比解释说，整个过程类似于从支票账户中取款和存款。
他说：“土壤湿度是陆地上水的银行账户。”
了解土壤湿度还可以揭示很多关于碳循环的信息，碳循环是指碳进入空气、被生长中的叶子捕获、溶解在海洋中、融入方解石岩峭壁并被生物呼吸出来的过程。它还与能量通过地球的流动有关，因为水蒸发和凝结，形成冰、云、蒸汽和液体。
这些过程发生在两极，但在零度以下的温度下，土壤中没有那么多水，而是冰。在冻土中升起的是泰加林，在过去的11500年中，它一直是碳的陷阱。当春天地面解冻，植物可以获得水分时，这些森林就会充当碳汇，然后它们从大气中吸收二氧化碳并开始生长。
SMAP将追踪地球的解冻和再冻结，分成1.9平方英里的网格，这将帮助科学家了解北半球的碳汇。测量是关键，因为地球上超过一半的植被覆盖面积——2500万平方英里，相当于俄罗斯的四倍——在冬季冻结并停止光合作用。
随着世界变暖，这种冻融循环似乎正在发生变化。弗拉特黑德湖生物站的金博尔说，科学家们注意到，在北部纬度，春天每十年提前大约一天半，但他们缺乏一个好的仪器来追踪这种在全球范围内的提前。
他说：“实际上，每年通过化石燃料燃烧排放到大气中的二氧化碳有25%到30%被我们不完全了解的陆地过程从大气中去除。”“如果我们不完全了解这些过程，那么我们就真的不知道[气候]变化的潜在脆弱性。”
寻求了解更多
恩格曼和他的同事们在1980年代，当工程师们首次开始从太空测量地球时，并不知道所有这些。从60年代开始，早期的陆地卫星拍摄了横跨埃及和以色列的内盖夫沙漠的照片。照片显示，埃及一侧过度放牧的土地看起来比以色列一侧更潮湿、更肥沃的土地颜色更浅。
科学家们随后推断，如果从太空可以看到土地覆盖的如此微小的差异，那么它们可能可以被测量。“我们有一些朋友，我们时不时地聚在一起，我们开始感觉到遥感技术的潜力非常巨大。因此我们开始追求其中的一些，”恩格曼回忆道。
有了工具和设计，恩格曼和他的同事们开始研究发射微波的雷达。在90年代，他们使用飞机将他们的设备飞过俄克拉荷马州和宾夕法尼亚州的田野。他们很快就想要更多。
恩格曼说：“能够将某些东西送入太空并能够持续测量全球是非常有趣的事情。” “哦，我们梦想着它。”
这些梦想促成了航天飞机上的仪器包，这些仪器包记录了降雨、温度和土壤湿度等。当航天飞机经过俄克拉荷马州的某个特定区域时，恩格曼和他的团队会驾驶一架配备雷达的飞机沿着航天飞机的路径飞行。与此同时，研究生会挖掘土壤以记录土壤湿度。同步测量是为了证实航天飞机雷达的真实性。
那时很明显，该设备可以帮助了解气候变化。大气科学家建立了计算机模型，将地球分成网格，每个网格单元包含风、海洋、温度和地球其他过程的算法表示。土壤湿度是这些模型中的重要组成部分，但科学家们很少有来自世界大部分地区的测量数据。
麻省理工学院的恩特卡比说：“只有在西欧、北美和亚洲部分地区等工业化国家，我们才有这些测量数据，即使在那里，数据也非常稀少。”
英国牛津郡生态与水文中心的Chris Taylor研究员说，自1990年代以来，气候模型已经发展，但由于土壤湿度测量不完整，它们仍然会错误地处理关键的降雨过程。
在气候模型中，降雨通常在中午左右以细雨的形式出现。在现实世界中，雨水大多在下午晚些时候落下。那么，想象一下，科学家们模拟50年或100年后在东非、印度或加拿大北部森林的降水是多么具有挑战性，因为这些地区都受到非常不同的多种大气现象的影响。
让气候模型看到真相
泰勒说，土壤湿度测量，尤其是SMAP将提供的详细程度，将有助于科学家应对这一挑战。以干旱为例。科学家们需要了解土壤在缺水期间如何干涸，以便在气候模型中准确表示该过程的物理特性。如果没有此类测量，“你最终可能会陷入错误，”泰勒说。
他说：“然后你运行这个模型，土壤变得更加干燥，这转化为降雨减少，然后你就陷入了干旱。”
美国国家研究委员会在1999年的一份报告中阐述了土壤湿度测量的重要性，该报告建议美国宇航局将该设备送入太空。
那是地球观测的黄金时代。美国宇航局在1999年发射了Terra卫星，在2004年发射了Aqua卫星。这些任务的规模是前所未有的。
蒙大拿大学的金博尔说：“在2000年之前，我们没有能够处理那么多数据的计算能力。”
随着处理海量数据负载的成本下降，像 SMAP 这样的项目变得可行。美国国家航空航天局（NASA）几乎立即开始计划发射土壤湿度卫星，但预算限制导致 2005 年的首次尝试被搁置。
2008 年迎来了转机，时任总统乔治·W·布什的预算为 NASA 的土壤湿度任务提供了资金。该设备被命名为 SMAP，由加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室制造。它将在九天后由德尔塔 II 火箭发射升空。
一旦进入轨道，该卫星将会在两极之间飞行，并每两到三天测量一次全球的土壤。利用这些数据，NASA 将为科学家构建两张地图：一张分辨率为 6.2 英里的土壤湿度地图和一张分辨率为 1.9 英里的冻融地图。该卫星的探测深度为 2 英寸。
这些特性将使 SMAP 成为世界上最好、最全面的土壤追踪器。其官方寿命为三年，但恩格曼表示，在太空凉爽、宜人的环境中，它可能会运行更长时间。
“因此，如果他们一开始就把它[SMAP]做得很好，那么它很有可能运行很长一段时间，”恩格曼说。
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