照亮全球的風
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經曆了近20年富有挑戰性的工程建設之後，上個月末，歐洲航天局（ESA）在法屬圭亞那發射了一顆衛星，首次直接測量從地球表麵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據空白——全球風速。
風神衛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，但大多數風力數據仍然來自氣象氣球。來自商用噴氣式飛機的數據，以及基於記錄移動雲層、大氣溫度和海麵粗糙度的衛星所捕獲的數據計算出的估計值，對氣球每日兩次的采樣數據起到了補充作用。這種拚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。它采用的光脈衝目標檢測技術在本質上與協助警察執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。但風神的光脈衝目標不是汽車，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境科學聯合研究院，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，他們已經有了每秒發出50次脈衝的強度適宜且穩定的激光器。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，並根據其頻率辨別平均風向和風速。
風神衛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並在真空中運行時，一個潛在的致命問題出現了。激光器的強大脈衝將光學表麵加熱到1700攝氏度，破壞了它們的塗層。在真空中，儀器的半導體吸附揮發性有機化合物（VOC），在透鏡上形成了一個碳層。
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10年過去了，風神團隊開發出了堅固的塗層，並為碳煙堆積問題找到了解決方案——增加一個氧氣罐並持續滲出微量氧，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，風神按計劃被發射到一個傾斜的極地軌道上，大約每90分鍾繞地球一圈。它的激光雷達俯瞰地球，產出連續的風帶剖麵，剖麵從地球上方30千米開始，向下抵達地球表麵，或是抵達足以減弱其光束的厚雲層。
風神的數據將極大地提高當前風測量極度匱乏地區的氣象與氣候科技水平，比如海洋和熱帶地區。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，它可以將預測台風路徑的準確度提高9%。
風神衛星使用強大的激光雷達測量風速
ESA甚至期望這顆衛星能發現一些令現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，而氣象係統完全沒有預警，因為模型無法看到熱帶太平洋上空的強勁西風。
總部位於巴塞羅那的氣象分析公司Vortex的研發總監吉爾•利斯卡諾（Gil Lizcano）說，該衛星的數據可以幫助調整算法，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，都會迫使發電廠做出緊急調整，這對風力發電廠和電網運營者來講成本很高。
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NASA華盛頓特區總部的風力探測專家蓋爾•斯科弗羅尼克•傑克遜（Gail Skofronick Jackson）說，風神的燃料和氧氣僅夠在軌道上運行3到4年，美國可能隨後發射新的衛星。傑克遜指出，今年1月，美國國家科學院的報告確認“風是高優先級的觀測對象”。硬件也已經初具規模：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於科羅拉多的波爾航天公司（Ball Aerospace）開發。
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