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欧空局发射卫星用紫外激光雷达测量太空风速

来源: 发布时间:2018-12-26【字体:

  欧洲航天局(ESA)已将风神卫星发射到极地轨道上,该卫星携带紫外激光雷达,可提供比目前更准确和详细的风速监测。它将是第一颗直接测量从地球表面到平流层的风速和风向的卫星。这颗卫星的建造是一项富有挑战性的工程,从规划到发射(由于天气原因,发射一度被推迟),历经近20年的时间。 

  这颗名为“风神”的新卫星将首次在太空中部署风感测激光雷达,从而提升对风的测量。它采用的技术在本质上与帮助警察实施限速和帮助自动驾驶汽车在道路上行驶的光脉冲物体检测技术是相同的。不过,与用激光扫描汽车和测量反射回来的光子中的多普勒频移来检测运动不同,风神卫星是从地球上空320公里处扫描空中的分子和气溶胶。 

  “这本来就很困难。大气成分的反向散射信号相当微弱,所以为收集到足够的光子你需要一个相对比较大的激光器和一个大型望远镜。”环境科学合作研究所(Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences,位于科罗拉多州的博尔德,由科罗拉多大学和国家海洋与大气管理局合作建立)的激光雷达专家和资深研究科学家Michael Hardesty解释说。Hardesty是欧空局“风神”任务咨询小组的成员。   

  

  3. Aladin多普勒激光雷达仪器   

  

  4. 发射前“风神”在推车上(左);收集大气粒子反射光的卫星望远镜(右)。 

  建造“风神”的科学家们必须组装他们自己的紫外激光器(因为现有的紫外激光器是为核武器模拟而建造的,因此是机密的)。到2005年,他们有了一种每秒脉冲50次的强度适宜且稳定的激光。利用望远镜和双接收器,该团队可以测量大气分子(主要是氮)或粒子对激光的反射,并根据反射频率识别出平均风向和速度。 

  此后,当该团队在设备上增加了镜子和镜头并在真空中运行设备时,一个潜在的障碍浮现了出来。激光的强大脉冲将光学表面加热到1700°C,损坏了它们的涂层,而且,真空环境中从仪器的半导体吸出的挥发性有机化合物(VOC)在镜头上形成了一个碳层。 

  十年过去了,“风神”团队开发出了坚固的涂层,并为碳层问题找到了一种解决方案——增加一个氧气罐并让氧气从中连续不断地微量渗出以烧掉激光雷达仪器中的VOC。最后,在去年年底,科学家们对整艘宇宙飞船进行了真空测试。总的来说,额外的工作使任务的成本超过原先预算50%,估计为4.81亿欧元(5.6亿美元)。 

  821日的发射将把“风神”送入倾斜的极地轨道,之后它大约每隔90分钟绕地球一次。当它的激光雷达俯瞰地球时,卫星将产生一个连续的带状风廓线,它从地球上方30公里处向下一直延伸到地面或者延伸到厚度足以减弱其波束的云层。 

  “风神”的数据将极大地促进对当今风测量最少的区域(例如海洋和热带地区)的天气和气候科学研究。专家们预计对大西洋飓风登陆的预测会有显著提高,模拟结果显示对台风路径的预测在准确度上能提高9% 

  欧空局还期望这颗卫星能够发现一些会让天气预报员大吃一惊的暴风雨。例如,20143月,一场暴风雨在没有预警的情况下袭击了北欧,因为模型无法看到热带太平洋上空强劲的西风。 

  总部位于巴塞罗那的气象分析公司Vortex的研发总监Gil Lizcano说,该卫星的数据还将有助于调整算法,以更准确地预测风骤然“加强”和“减弱”事件,这些事件会发生在风速从低快速变高时或从高快速变低时。目前,这样的激变——以及风力涡轮机在输出上的相应的上涨或下降——迫使发电厂紧急做出调整,这对风力发电厂所有者和电网运营商来说都是代价高昂的。 

  据美国宇航局总部的风力探测专家Gail Skofronick Jackson所说,“风神”携带的燃料和氧气只可使它在轨道上运行三到四年,但美国这边可能很快就有一项发射任务。Jackson指出,今年1月,美国国家科学院的一份报告将风确定为了“高优先级观测目标”。硬件已经成型:NASA的航空器最近展示了由Hardesty的团队和位于科罗拉多州的Ball Aerospace开发的一种新型风感测激光雷达。 

  编译自:http://optics.org/news/9/8/37 

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