风神卫星使用强大的激光雷达测量风速

2018-11-07   来源:悦智网  
       经历了近20年富有挑战性的工程建设之后,上个月末,欧洲航天局(ESA)在法属圭亚那发射了一颗卫星,首次直接测量从地球表面到平流层的风速和风向。这将填补地球观测最难处理且最重要的数据空白——全球风速。
 
 
  风是气象和气候的重要决定因素,但大多数风力数据仍然来自气象气球。来自商用喷气式飞机的数据,以及基于记录移动云层、大气温度和海面粗糙度的卫星所捕获的数据计算出的估计值,对气球每日两次的采样数据起到了补充作用。这种拼凑而成的风力记录增加了天气预报的不确定性。
 
  这颗新的卫星名为“风神”,通过首次在太空中部署一个风感激光雷达,来改善风的测量方法。它采用的光脉冲目标检测技术在本质上与协助警察执行交通限速和自动驾驶车辆导航的技术是相同的,都是通过测量反射光子的多普勒频移来探测运动。但风神的光脉冲目标不是汽车,而是地球上方320千米处空气中的粒子和气溶胶。“这本来就很困难。大气成分中的反向散射信号很弱,所以你需要大功率激光器和大型望远镜来收集足够的光子。”激光雷达专家兼高级研究科学家米迦勒•哈德斯蒂(Michael Hardesty)解释道,他来自科罗拉多博尔德的环境科学联合研究院,该研究院由科罗拉多大学和国家海洋与大气管理局合作创立。哈德斯蒂在ESA的风神工作顾问组任职。
 
  建造风神的科学家们不得不自己组装紫外线激光器,因为当时现有的紫外线激光器都是为核武器模拟而造,且都是保密的。到2005年,他们已经有了每秒发出50次脉冲的强度适宜且稳定的激光器。利用望远镜和双接收器,可以测量大气分子(主要是氮)或粒子的激光反射,并根据其频率辨别平均风向和风速。
 
 
  但是,当该装置又增加了反射镜和透镜并在真空中运行时,一个潜在的致命问题出现了。激光器的强大脉冲将光学表面加热到1700摄氏度,破坏了它们的涂层。在真空中,仪器的半导体吸附挥发性有机化合物(VOC),在透镜上形成了一个碳层。
 
  10年过去了,风神团队开发出了坚固的涂层,并为碳烟堆积问题找到了解决方案——增加一个氧气罐并持续渗出微量氧,焚烧激光雷达仪器中的VOC。最终,在去年年底,科学家们对整个卫星进行了真空测试。额外的工作量总共使项目成本增加了50%,估计达到4.81亿欧元(合5.6亿美元)。
 
  8月,风神按计划被发射到一个倾斜的极地轨道上,大约每90分钟绕地球一圈。它的激光雷达俯瞰地球,产出连续的风带剖面,剖面从地球上方30千米开始,向下抵达地球表面,或是抵达足以减弱其光束的厚云层。
 
  风神的数据将极大地提高当前风测量极度匮乏地区的气象与气候科技水平,比如海洋和热带地区。专家们预计这将显著改进大西洋飓风登陆的预报,模拟表明,它可以将预测台风路径的准确度提高9%。
 
  ESA甚至期望这颗卫星能发现一些令现在的预报员感到惊诧的暴风雨,例如,2014年3月,北欧遭遇了洪水,而气象系统完全没有预警,因为模型无法看到热带太平洋上空的强劲西风。
 
  总部位于巴塞罗那的气象分析公司Vortex的研发总监吉尔•利斯卡诺(Gil Lizcano)说,该卫星的数据可以帮助调整算法,可更准确地预测风的“斜升”和“斜降”事件,即风速从低向高或从高到低的快速变化。目前,这样的激变,以及相应的风力涡轮机电力输出的急速提高或降低,都会迫使发电厂做出紧急调整,这对风力发电厂和电网运营者来讲成本很高。
 
  NASA华盛顿特区总部的风力探测专家盖尔•斯科弗罗尼克•杰克逊(Gail Skofronick Jackson)说,风神的燃料和氧气仅够在轨道上运行3到4年,美国可能随后发射新的卫星。杰克逊指出,今年1月,美国国家科学院的报告确认“风是高优先级的观测对象”。硬件也已经初具规模:NASA的航天器最近展示了一种新型的激光测风雷达,由哈德斯蒂的团队和位于科罗拉多的波尔航天公司(Ball Aerospace)开发。
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