《计算机网络技术》教案第一章概述

1、霓虹计划：照亮生态学的未来Drink-Me 2012-08-31 15:57:25生态学家带着双筒望远镜、拿着网兜四处奔波的日子或许很快就要一去不复返了。一项被称为 “霓虹计划”（NEON）的生态学工程，将在全美境内安装超过 1.5 万个传感器，收集 500 多种生态数据。这种长期的大规模标准化数据采集，代表着生态学向大规模统计科学的迈进。NEON，一个全景生态观测系统（图片：）说起大规模科学项目，人们总会想到火箭、天文望远镜和粒子加速器。每当谈及“宏大的科学”，公众理所当然地总会倾向于认为，这样的项目一定涉及到了巨额的研究经费。在这一点上来讲，那些手举双筒望远镜、挥舞

2、着捉蝴蝶的网兜的陆地生态学家们研究的课题，似乎怎么说也谈不上是 “大科学”。这不由得让人感到奇怪，因为他们研究的、被称为 “陆地” 的生态圈，正是我们人类赖以生存的家园。正因为如此，大卫西麦尔（David Schimel）领导下的一群美国生态学家们，正设法努力改变他们在公众心目中的形象。他们正在开展一项雄心勃勃的计划，将会撼动陆地生态学的现状，最终将这门科学提升到 “大科学” 的标准和尺度。这个科学项目，就是被称作 “霓虹计划”（NEON）的美国国家生态观测网（National Ecological Observatory Network）建设工程。为这项计划筹集经费的过程充满了波折，经过十年

3、之久的讨论和筹划，美国国家科学基金会最终说服了国会为这个项目预留 4.34 亿美元（27.54 亿元人民币）的经费差不多一颗普通规格的太空探测器的价格；每年的经费预算会在 8000 万美元左右（约合 5 亿元人民币）。由此，西麦尔博士率领的研究团队正如火如荼地将大地用网络联结起来。在科罗拉多州（Colorado） 、佛罗里达州（Florida）和马萨诸塞州（Massachusetts） ，观测站的建造工程已然开始。很快，遍及全美国的 60 个工程地点的项目会同时启动。如果一切顺利，到 2016 年，遍布全美的 1.5 万个传感器将会收集到超过 500 种类型的数据，包括温度、降水量、气压、风速

4、风向、湿度、日照量，以及包括臭氧在内的空气污染物的水平和土壤和溪流中的各种营养物质的含量，甚至还包括各地植被和微生物的生存状态。至关重要的是，这些传感器将在各大地域通过同样的方式收集上述提及的各类数据。采用这种标准化的数据收集方法，以及在众多地域进行长期持续的数据收集，西麦尔博士希望能取得足够强有力的统计学力量，从而将生态学从一门经验科学转化为一门精密的、大规模的现代统计科学。这项计划将揭示出生态系统是如何对气候变化和物种入侵做出反应的，这将允许该研究团队最终发展并完善出一套能够预测生态系统的发展趋势的数学模型，来帮助决策者评估各种人类活动可能对生态环境带来的后果。通过观测塔来工作霓虹计划（N

5、EON）的观测点分布示例图（图片：The Economist）NEON 的科学家们将美国划分为 20 个大区，每一大区都有一种生态类型居于主导地位。每一大区将设立 3 处观测站，其中每一处核心观测站都将设立于该区域的中心地带，设立在环境条件稳定并且长期不受干扰，可以保证长达 30 年的长期监测工作的环境核心区域。其余的两个可移动观测站将会四处迁移，平均在一个观测地点工作 3 - 5 年，之后将移动到其他地方。这些可移动观测站将能够对同一大区的数据进行比较与核对。每一处观测站，不管是核心站还是可移动站，都将建立一座高出当地自然植被 10 米的观测塔，塔中安装有各类传感器。在观测塔附近数十平方千米

6、的地域内，科研人员还会在土壤和溪流中放置更多的传感器，以测量温度、二氧化碳和营养物质的浓度水平，以及植物根部的生长速度和微生物的活动情况。这些传感器将帮助生态学家深入探索不同的生态系统利用水和营养物质的效率、植被对气候变化做出反应的方式，以及二氧化碳是怎样在生物体和大气之间的交换过程。这必将对致力于理解碳循环过程的研究人员们带来莫大的帮助，并且使人们能更加深入理解温室气体增多导致气候变化的机理。霓虹计划（NEON）的观测系统（图片：）为了弥补这些只能在有限的区域内活动并进行测量的路基观测塔的局限性，研究团队将每年对每个大区进行一次空中勘测，对叶化学数据和

7、森林林冠的健康状况进行观察，团队也会借助卫星观测这些情况。NEON 的研究团队将驾驶经过特殊装备的飞机，搭载着激光测距雷达，分光计（用于分析各种化学成分）和高分辨率像机，来对包括洪涝、山火、虫害在内的各种自然灾害对生态系统带来的冲击进行评估。这套空中勘测系统已经在今年 8 月 21 日开始的一项计划中得到测试，该计划由汤姆堪佩（Tom Kampe）和迈克尔 拉夫斯基（Michael Lefsky）领导，旨在研究海帕克森林大火（High Park Fire）的成因以及其对生态系统造成的影响。从 6 月 9 日到 7 月初，大火烧毁了科罗拉多州多达 3.6 万公顷的森林 。堪佩和拉夫斯基博士将率领

8、 NEON 的飞行编队飞越被大火焚毁的区域以及毗邻的未被大火彻底焚毁的幸免植被。编队将对植被物种分布、森林结构变化、地表覆盖的灰烬以及土壤肥沃度和河流沉积层的变化进行勘测。同时，焚毁区域的地形改变情况也将会接受全面的观测。霓虹计划（NEON）将借助卫星观测地球陆地生态系统情况（图片：）这次研究任务致力解决的一大问题，是山松甲虫的大规模传播是否一定程度上导致了本次大火的泛滥。由于气候的暖化，西黄松大小蠹（ Dendroctonus ponderosae 此处已更正）的繁殖期得以延长，导致了它的数量突然暴增。这样的空中勘测在未来几年还会重复进行，这将帮助研究人员探索，甲虫

9、是怎样对植被从火灾中慢慢恢复这一进程产生影响的。同样要进行研究的是：侵蚀和沉积作用对水源产生影响的方式，以及火灾是否能给物种入侵带来更多的机会。当然，如此之多的数据，意味着大规模的数据处理工作。事实上，鉴定一项科学计划是否属于 “大科学”，评估方式或许还有待商榷。根据天文学家和物理学家近几十年来的经历，以及生物学家们在历经困苦完成人类基因组计划后的切身感受，决定一项科学计划是否是大项目的关键因素，也许不是投入经费多少，而是该计划是否会产生需要处理的无穷无尽的海量数据。据估计，当霓虹计划全面运行时，一年将会产生 200 TB 字节的数据，这可是哈勃望远镜项目（够大的科学计划了吧）在头 20 年的辛勤工作中产生数据量的 4 倍。霓虹计划代表了生态学向大规模统计科学迈进的一大变革。毫无疑问，这将改变这门学科的研究方式，就像近年来天文学、物理学、遗传科学在它们变得 “宏大” 时所经历的那样。生态学家带着望远镜和网兜四处奔波的生活或许很快就要一去不复返了。在其他学科的事例中，这一变革都带来了十分有益的长足进步。想必对于生态学而言，这次变革也必然拥有着光辉的前景。更正说明：文章发布之初，倒数第 3 自然段中 “西黄松大小蠹”（ Dendroctonus pon