照亮全球的風
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經(jīng)歷了近20年富有挑戰(zhàn)性的工程建設之后，上個月末，歐洲航天局（ESA）在法屬圭亞那發(fā)射了一顆衛(wèi)星，首次直接測量從地球表面到平流層的風速和風向。這將填補地球觀測最難處理且最重要的數(shù)據(jù)空白——全球風速。
風神衛(wèi)星使用強大的激光雷達測量風速
風是氣象和氣候的重要決定因素，但大多數(shù)風力數(shù)據(jù)仍然來自氣象氣球。來自商用噴氣式飛機的數(shù)據(jù)，以及基于記錄移動云層、大氣溫度和海面粗糙度的衛(wèi)星所捕獲的數(shù)據(jù)計算出的估計值，對氣球每日兩次的采樣數(shù)據(jù)起到了補充作用。這種拼湊而成的風力記錄增加了天氣預報的不確定性。
這顆新的衛(wèi)星名為“風神”，通過首次在太空中部署一個風感激光雷達，來改善風的測量方法。它采用的光脈沖目標檢測技術在本質(zhì)上與協(xié)助警察執(zhí)行交通限速和自動駕駛車輛導航的技術是相同的，都是通過測量反射光子的多普勒頻移來探測運動。但風神的光脈沖目標不是汽車，而是地球上方320千米處空氣中的粒子和氣溶膠。“這本來就很困難。大氣成分中的反向散射信號很弱，所以你需要大功率激光器和大型望遠鏡來收集足夠的光子。”激光雷達專家兼高級研究科學家米迦勒•哈德斯蒂（Michael Hardesty）解釋道，他來自科羅拉多博爾德的環(huán)境科學聯(lián)合研究院，該研究院由科羅拉多大學和國家海洋與大氣管理局合作創(chuàng)立。哈德斯蒂在ESA的風神工作顧問組任職。
建造風神的科學家們不得不自己組裝紫外線激光器，因為當時現(xiàn)有的紫外線激光器都是為核武器模擬而造，且都是保密的。到2005年，他們已經(jīng)有了每秒發(fā)出50次脈沖的強度適宜且穩(wěn)定的激光器。利用望遠鏡和雙接收器，可以測量大氣分子（主要是氮）或粒子的激光反射，并根據(jù)其頻率辨別平均風向和風速。
風神衛(wèi)星使用強大的激光雷達測量風速
但是，當該裝置又增加了反射鏡和透鏡并在真空中運行時，一個潛在的致命問題出現(xiàn)了。激光器的強大脈沖將光學表面加熱到1700攝氏度，破壞了它們的涂層。在真空中，儀器的半導體吸附揮發(fā)性有機化合物（VOC），在透鏡上形成了一個碳層。
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10年過去了，風神團隊開發(fā)出了堅固的涂層，并為碳煙堆積問題找到了解決方案——增加一個氧氣罐并持續(xù)滲出微量氧，焚燒激光雷達儀器中的VOC。最終，在去年年底，科學家們對整個衛(wèi)星進行了真空測試。額外的工作量總共使項目成本增加了50%，估計達到4.81億歐元（合5.6億美元）。
8月，風神按計劃被發(fā)射到一個傾斜的極地軌道上，大約每90分鐘繞地球一圈。它的激光雷達俯瞰地球，產(chǎn)出連續(xù)的風帶剖面，剖面從地球上方30千米開始，向下抵達地球表面，或是抵達足以減弱其光束的厚云層。
風神的數(shù)據(jù)將極大地提高當前風測量極度匱乏地區(qū)的氣象與氣候科技水平，比如海洋和熱帶地區(qū)。專家們預計這將顯著改進大西洋颶風登陸的預報，模擬表明，它可以將預測臺風路徑的準確度提高9%。
風神衛(wèi)星使用強大的激光雷達測量風速
ESA甚至期望這顆衛(wèi)星能發(fā)現(xiàn)一些令現(xiàn)在的預報員感到驚詫的暴風雨，例如，2014年3月，北歐遭遇了洪水，而氣象系統(tǒng)完全沒有預警，因為模型無法看到熱帶太平洋上空的強勁西風。
總部位于巴塞羅那的氣象分析公司Vortex的研發(fā)總監(jiān)吉爾•利斯卡諾（Gil Lizcano）說，該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)可以幫助調(diào)整算法，可更準確地預測風的“斜升”和“斜降”事件，即風速從低向高或從高到低的快速變化。目前，這樣的激變，以及相應的風力渦輪機電力輸出的急速提高或降低，都會迫使發(fā)電廠做出緊急調(diào)整，這對風力發(fā)電廠和電網(wǎng)運營者來講成本很高。
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NASA華盛頓特區(qū)總部的風力探測專家蓋爾•斯科弗羅尼克•杰克遜（Gail Skofronick Jackson）說，風神的燃料和氧氣僅夠在軌道上運行3到4年，美國可能隨后發(fā)射新的衛(wèi)星。杰克遜指出，今年1月，美國國家科學院的報告確認“風是高優(yōu)先級的觀測對象”。硬件也已經(jīng)初具規(guī)模：NASA的航天器最近展示了一種新型的激光測風雷達，由哈德斯蒂的團隊和位于科羅拉多的波爾航天公司（Ball Aerospace）開發(fā)。
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