早期的研究結(jié)果表明，紫外線激光雷達(dá)可以為天氣和氣候研究提供重要的新數(shù)據(jù)，但激光功率正在緩慢衰減。
從衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖是測(cè)量風(fēng)速的最佳方法。因此，裝備激光雷達(dá)的風(fēng)神衛(wèi)星于去年8月發(fā)射，標(biāo)志著在測(cè)量世界各地從地面到平流層用于天氣預(yù)報(bào)和氣候研究的風(fēng)速方面取得了突破。
最初的9個(gè)月證明了它的價(jià)值。”歐洲航天局地球觀測(cè)主任Josef Aschbacher5月說：“風(fēng)能數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常好。”然而，用于測(cè)量的阿拉丁紫外激光器發(fā)出的高能脈沖變得越來越暗。
近日，歐空局將開啟一臺(tái)備用激光器，預(yù)計(jì)將花費(fèi)3至4周時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。”風(fēng)神號(hào)的任務(wù)經(jīng)理Tommaso Parrinello在一封電子郵件中告訴Spectrum，“第一批數(shù)據(jù)只能由專家用戶獲得，應(yīng)該在7月底之前提供。”歐空局預(yù)計(jì)還需要一個(gè)月的時(shí)間來確認(rèn)繼續(xù)研究天氣和氣候的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
天氣和氣候趨勢(shì)取決于風(fēng)速，因此準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)大氣中的風(fēng)速對(duì)天氣預(yù)報(bào)和氣候研究至關(guān)重要。我們可以通過觀察風(fēng)驅(qū)動(dòng)云的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)吹海洋表面的湍流來間接估算風(fēng)速。然而，最精確的速度測(cè)量是將探頭直接插入移動(dòng)的空氣中。氣象氣球是最常見的探測(cè)器，由地面和飛機(jī)安裝的儀器補(bǔ)充，但這些探測(cè)器的數(shù)量是有限的。
向空中發(fā)射激光脈沖是另一種測(cè)量風(fēng)速的方法。把激光放在衛(wèi)星上可以讓它的脈沖探測(cè)全世界的大氣。空氣分子將一些激光直接散射回激光器，在這個(gè)過程中，波長(zhǎng)稍微移動(dòng)一點(diǎn)，移動(dòng)量取決于分子的速度。安裝在衛(wèi)星上的傳感器可以檢測(cè)激光輸出和反射光之間的差異，從而測(cè)量空氣速度。這種激光被稱為激光雷達(dá)或激光雷達(dá)，最著名的是它的短程應(yīng)用于警察測(cè)速和自動(dòng)駕駛汽車。
激光雷達(dá)以前曾在太空飛行過，但主要是用來測(cè)量離地面的距離。一個(gè)著名的例子是火星軌道器激光高度計(jì)，它從火星全球勘測(cè)員那里繪制了這顆紅色行星的地圖。這很有效，因?yàn)閳?jiān)硬的表面能反射大部分激光能量。另一方面，空氣只反射激光的一小部分，使其更難測(cè)量風(fēng)速。然而，空氣在較短的波長(zhǎng)下散射更多的光，所以激光雷達(dá)的返回可以通過使用在較短的紫外線波長(zhǎng)下發(fā)射高能脈沖來增加。
Illustration: ESAA technical view of the ADM-Aeolus satellite’s Aladin instrument. It incorporates two powerful lasers, a large telescope and very sensitive receivers. The laser generates UV light which is beamed towards Earth.
歐空局定制了一種高功率激光器，他們稱之為Aladin，工作非常穩(wěn)定，在精確的波段每秒發(fā)射50個(gè)脈沖進(jìn)行測(cè)量。激光工作得很好，但是當(dāng)他們?cè)?005年在真空中測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的紫外線脈沖破壞了光學(xué)表面易碎的涂層，模糊了光學(xué)系統(tǒng)。修復(fù)這一問題花了十多年時(shí)間，并在去年推出風(fēng)神號(hào)時(shí)將總成本提高到5.6億美元。
激光一到達(dá)軌道就發(fā)射了65毫焦耳的紫外線，但在最初的9個(gè)月里，這種能量下降了20%到30%，Aschbacher說，5月份它每周會(huì)損失1毫焦耳。Parrinello說，這是比早期的高能紫外線激光器在太空中取得的巨大進(jìn)步，后者在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就失效了。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)現(xiàn)，所得數(shù)據(jù)足以提高天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量。然而，在功率下降的速度下，風(fēng)神號(hào)將無法收集三年來尋求研究的數(shù)據(jù)。
對(duì)衛(wèi)星性能的分析發(fā)現(xiàn)，損失源于激光的多個(gè)問題，而不是早期光學(xué)困難的重現(xiàn)。激光束似乎偏離了目標(biāo)區(qū)域，降低了輸出功率。半導(dǎo)體二極管激光器把輸入的電能轉(zhuǎn)換成紫外光，似乎在變暗。
幸運(yùn)的是，歐空局的設(shè)計(jì)包括一個(gè)冗余激光器，作為原始激光器的備份。備用激光器的設(shè)計(jì)基本上與衰落激光器相同，但沒有使用備用激光器，地面試驗(yàn)表明其脈沖能量可以更容易地調(diào)整。Parrinello說，備用激光的額外裕度應(yīng)該足以讓Aeolus收集所需的三年數(shù)據(jù)，但他警告說，大功率激光任務(wù)“離失敗只有一步之遙”。衛(wèi)星壽命也受到穩(wěn)定其球體所需的有限燃料的限制。影響范圍在320公里處，海拔很低，每周都需要提升。
風(fēng)神號(hào)的研究結(jié)果已經(jīng)引起人們對(duì)一顆用于氣象觀測(cè)的后續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星的興趣，Parrinello說，歐空局已經(jīng)與歐洲氣象衛(wèi)星利用組織交換了意向書。
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