2005年10月,德尔它-2火箭从范登堡空军基地一箭双星发射“云卫星”(Cloudsat)和“云-浮质激光雷达和红外探测者卫星观测”(CALIPSO,直译为“卡里普索”)卫星。前者将改进对云层结构和成分的研究,更好地理解云对气候的影响,它是美国航宇局 “地球系统科学探路者”计划中的一项任务；后者将提供浮质垂直分布的信息,考察浮质是否与云有关系,能否改变云的状态等,它是美国航宇局与法国航天局的合作项目。这2颗卫星将与“气”(Aqua)卫星、“太阳伞”(Parasol)卫星、“水”(Aura)卫星等组成“A列车”星座,以便对全球气候和天气状况进行最全面、深入的考察。
云和浮质的重要影响
气候是众多化学、水文及动力学等因素共同作用的结果,它使地球保持能量平衡,而云层在对地球的加热或冷却中起到了主要作用。云是地球水文循环的关键因素,能将水从空气中带到地面,通过影响太阳辐射和地球热辐射,来控制地球的能量收入和支出。云的数量或分布即使有很小的变化,都能改变气候,这比温室气体、人为浮质或其他因素对气候的影响大得多。
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“气”卫星上仪器的测量只能告诉人们,辐射能量在大气顶部是怎样分布的,而无法告知这种辐射能量在大气中的分布情况。但是,这类信息是研究大气变化的基础,因为大气和海洋分布及传递热能的作用能确定天气和气候,而云在这种热分配过程中起着主要作用。目前,由于我们对云-气候的反馈作用缺乏定量理解,因此这成为准确预报天气变化的主要障碍。
浮质是悬浮在大气中的微小颗粒,有的是自然原因造成的,如沙漠尘土、海盐、火山灰及来自森林火灾的烟尘；有的产生于煤、油及其他矿物燃料的燃烧,以及车辆产生的废气。当浮质的浓度达到足够高时,将对人类健康造成威胁,尤其是哮喘病人及其他有呼吸道疾病的人。空气中的浮质还能传播真菌和病毒,这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。
浮质能够影响天气和气候。根据其形状、大小和成分的不同,有的能将太阳光反射到太空中,从而冷却大气；而有的则能吸收阳光,使大气升温。浮质甚至能够改变云的存在时间,能够在云的表面产生化学反应,决定降雨量的多少,影响大气成分。
根据以往卫星和地面站的测量显示,许多浮质能在环境中存在很长时间。为了更好地预知浮质的最终去向,制定限制污染的战略,改善空气状况的预报质量,科学家需要了解更多的浮质信息,如它们是怎么进入大气中的,怎样与天气模式发生相互作用等。
“云卫星”将“切开”云层
“云卫星”将第1次从太空中对云的纵向结构进行分析,加强我们对主要气候过程的理解,使科学家更详细地了解云是怎样决定地球能量平衡的。
“云卫星”的科学目标：定量评估云在全球大气循环模式中的作用,改进天气和气候预报质量；定量评估云垂直剖面中的液态水和冰冻水含量与云的辐射热之间的联系。另外就是要改进并证实由其他卫星系统收集的云信息,尤其是对地观测卫星的数据；增强我们对浮质在云中所起的间接作用的认识。
“云卫星”能从大气的顶部直接测量云的特征,从而改进数字天气预报模式。星上的雷达将穿透厚厚的云层,提供有关自然灾害如暴风雪、飓风及洪水的信息,增强自然灾害的预报的准确性。此外,“云卫星”还能够提供水文学方面的资料,例如是否发生区域性干旱、新鲜水的可用性等,改善水资源管理。
“云卫星”基于美国鲍尔航天技术公司的BCP-2000平台制造,该平台曾用于制造快鸟-2卫星、“快速测风”卫星及“冰卫星”。
“云卫星”运行在太阳同步轨道上,轨道高度为705千米,倾角为98.2°,绕地球1圈需要99分钟。卫星的质量是999千克,功率为700瓦,设计寿命22个月。它采用S波段进行数据传输。
云剖面雷达是“云卫星”携带的主要有效载荷,由美航宇局的喷气推进实验室和加拿大航天局联合研制。 它将“切开”云层,看看云层里面到底有些什么。它能产生新的气象数据,包括云层的厚度、云层顶部和底部的高度、云的光学特征及云的水和冰含量。它使“云卫星”具备全新的天基观测能力,因为以前的卫星只能对云层的顶部拍照,而“云卫星”将成为第1颗在全球基础上研究云剖面的卫星,其测量数据将广泛应用于空气质量、天气模式、航空安全和灾害管理。
浮质的监测者——“卡里普索”卫星
“卡里普索”卫星是美航宇局设计的,用于解决地球系统科学领域的至关重要问题的一系列任务之一,由美国航宇局的兰利研究中心与法国航天局联合研制。
“卡里普索”卫星将收集浮质成份、大小等特征和浮质分布的重要数据。此外,它还能获得更多的有关云高度的信息。目前,天气预报和气候模式很难对云的高度及水、冰的含量进行准确预报,如果这些参数是不准确或错误的,那么就会导致降雨量和水循环预报的错误。而“卡里普索”卫星将提供与此相关的有价值信息,有助于改进天气和气候预报。
“卡里普索”卫星的轨道与“云卫星”相同,都是倾角为98.2°的太阳同步轨道。卫星质量为600千克,功率为562瓦,设计寿命3年。卫星的科学数据通过X波段发送机传输到地面。“卡里普索”卫星上携带了3种科学有效载荷,分别是正交极化云-浮质激光雷达、宽视场相机、成像红外辐射计。
太空天气预报员组成的编队
“A列车”对地观测卫星星座由6颗卫星构成,除了发射的“云卫星”和“卡里普索”卫星之外,还有已发射的“气”卫星、“太阳伞”卫星、“水”卫星,以及2008年将发射的“轨道二氧化碳观测台”(OCO,直译为“欧克”)卫星。
“A列车”星座中的每颗卫星都有独特的测量能力,可相互补充。在“欧克”卫星发射前,“水”卫星是星座中的领头卫星,主要考察地球/大气系统中的水,包括固态、液态及气态水,携带的有效载荷是大气红外探测器、先进微波探测器、微波湿度探测器、先进微波扫描辐射计、云和地球辐射能量系统、中分辨率成像光谱仪。
“云卫星”滞后“水”卫星2分钟30秒,它必须与“水”和“卡里普索”卫星实现极高精度的位置保持,以便与这2颗卫星进行联合测量。“卡里普索”卫星滞后“云卫星”不超过15秒,必须与“水”卫星实现位置保持。
“太阳伞”卫星滞后“卡里普索”卫星约1分钟,卫星的任务是描述地球大气中云和浮质的特征,区分自然浮质和人为浮质,星上携带地球辐射极化和定向仪器。
“气”卫星滞后“水”卫星约15分钟,其任务是研究大气化学成分,重点考察大气污染和温室气体的水平、垂直分布及变化,星上携带有高分辨率动力探测器、微波探测器、臭氧监测仪、对流层辐射分光计。
“欧克”卫星在2008年发射后将领先“水”卫星15分钟,它主要对温室气体二氧化碳进行全球性的考察,将携带3台分光计。
“A列车”星座每隔15分钟进行1次位置维持,能同时测量地球大气的浮质、云、温度、相对湿度及辐射流量。通过“A列车”的整体观测,科学家对这些数据进行综合,从而能更好地理解全球云层的形成和它们的长期影响,了解随着环境状态的变化而导致的大范围浮质和云特征的变化,进而能更详细地研究云和浮质分布的变化对全球气候的影响。
