照亮全球的風(fēng)
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經(jīng)歷了近20年富有挑戰(zhàn)性的工程建設(shè)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(fēng)速和風(fēng)向。這將填補(bǔ)地球觀測最難處理且最重要的數(shù)據(jù)空白——全球風(fēng)速。
風(fēng)神衛(wèi)星使用強(qiáng)大的激光雷達(dá)測量風(fēng)速
風(fēng)是氣象和氣候的重要決定因素，但大多數(shù)風(fēng)力數(shù)據(jù)仍然來自氣象氣球。來自商用噴氣式飛機(jī)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(bǔ)充作用。這種拼湊而成的風(fēng)力記錄增加了天氣預(yù)報的不確定性。
這顆新的衛(wèi)星名為“風(fēng)神”，通過首次在太空中部署一個風(fēng)感激光雷達(dá)，來改善風(fēng)的測量方法。它采用的光脈沖目標(biāo)檢測技術(shù)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(dǎo)航的技術(shù)是相同的，都是通過測量反射光子的多普勒頻移來探測運(yùn)動。但風(fēng)神的光脈沖目標(biāo)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(yuǎn)鏡來收集足夠的光子。”激光雷達(dá)專家兼高級研究科學(xué)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(xué)聯(lián)合研究院，該研究院由科羅拉多大學(xué)和國家海洋與大氣管理局合作創(chuàng)立。哈德斯蒂在ESA的風(fēng)神工作顧問組任職。
建造風(fēng)神的科學(xué)家們不得不自己組裝紫外線激光器，因?yàn)楫?dāng)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(qiáng)度適宜且穩(wěn)定的激光器。利用望遠(yuǎn)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(fēng)向和風(fēng)速。
風(fēng)神衛(wèi)星使用強(qiáng)大的激光雷達(dá)測量風(fēng)速
但是，當(dāng)該裝置又增加了反射鏡和透鏡并在真空中運(yùn)行時，一個潛在的致命問題出現(xiàn)了。激光器的強(qiáng)大脈沖將光學(xué)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(dǎo)體吸附揮發(fā)性有機(jī)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(fēng)神團(tuán)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(dá)儀器中的VOC。最終，在去年年底，科學(xué)家們對整個衛(wèi)星進(jìn)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(dá)到4.81億歐元（合5.6億美元）。
8月，風(fēng)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(dá)俯瞰地球，產(chǎn)出連續(xù)的風(fēng)帶剖面，剖面從地球上方30千米開始，向下抵達(dá)地球表面，或是抵達(dá)足以減弱其光束的厚云層。
風(fēng)神的數(shù)據(jù)將極大地提高當(dāng)前風(fēng)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(yù)計這將顯著改進(jìn)大西洋颶風(fēng)登陸的預(yù)報，模擬表明，它可以將預(yù)測臺風(fēng)路徑的準(zhǔn)確度提高9%。
風(fēng)神衛(wèi)星使用強(qiáng)大的激光雷達(dá)測量風(fēng)速
ESA甚至期望這顆衛(wèi)星能發(fā)現(xiàn)一些令現(xiàn)在的預(yù)報員感到驚詫的暴風(fēng)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(yù)警，因?yàn)槟Ｐ蜔o法看到熱帶太平洋上空的強(qiáng)勁西風(fēng)。
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(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)的“斜升”和“斜降”事件，即風(fēng)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(yīng)的風(fēng)力渦輪機(jī)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(fēng)力發(fā)電廠和電網(wǎng)運(yùn)營者來講成本很高。
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NASA華盛頓特區(qū)總部的風(fēng)力探測專家蓋爾•斯科弗羅尼克•杰克遜（Gail Skofronick Jackson）說，風(fēng)神的燃料和氧氣僅夠在軌道上運(yùn)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(xué)院的報告確認(rèn)“風(fēng)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(fēng)雷達(dá)，由哈德斯蒂的團(tuán)隊和位于科羅拉多的波爾航天公司（Ball Aerospace）開發(fā)。
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