美国国家航空航天局的CloudSat卫星结束了窥视地球云层中心的任务

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一位艺术家的概念展示了美国国家航空航天局的CloudSat航天器在地球上空的轨道上。它于2006年启动，在2024年3月寿命结束时退役之前，提供了第一次全球云特性调查。图像：NASA/JPL

据美国宇航局（Sally Younger）：在近二十年的时间里，其强大的雷达提供了前所未有的云层细节，并帮助推进了全球天气和气候预测。

美国国家航空航天局的一项任务CloudSat已经结束了其运营，该任务曾观测飓风，统计全球降雪率，并实现了其他天气和气候方面的第一。该航天器最初被提议执行22个月的任务，在观测了近18年的垂直结构和云层的冰/水含量后，最近退役。

按照计划，这艘航天器已经到了寿命的尽头，无法再进行定期观测。上个月，它被送入轨道，最终将在大气层中解体。

2006年发射时，该任务的云剖面雷达是第一个在太空飞行的94 GHz波长（W波段）雷达。它的灵敏度是典型的地面天气雷达的一千倍，它产生了一种新的云视觉——不是屏幕上的平面图像，而是布满冰和雨的大气层的3D切片。

位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室的首席研究员格雷姆·斯蒂芬斯说，科学家们首次可以一起观测云层和降水。他说：“如果没有云，人类就不会存在，因为它们提供了我们所知的生命所需的淡水。”。“由于它们令人困惑的特性，我们有时称它们为聪明的小魔鬼。在预测气候变化方面，云一直是个谜。”



2009年8月，美国国家航空航天局的CloudSat在美国东海岸附近掠过飓风比尔，捕捉到了4级风暴眼的数据。这对图像显示了该机构的Aqua卫星（顶部）的视图，以及CloudSat雷达测量到的云层的垂直结构（底部）。图像：杰西·艾伦，美国国家航空航天局地球观测站

长期以来，云蕴藏着许多秘密。在CloudSat之前，我们不知道云在全球范围内产生雨雪的频率。自发射以来，我们在理解云层如何冷却和加热大气层和表面，以及它们如何导致飞机结冰方面也取得了长足的进步。

CloudSat的数据为数千份研究出版物提供了信息，并继续帮助科学家做出关键发现，包括全球冰和水云的含量，以及云如何通过在大气中捕获热量来加速格陵兰岛和极地的冰融化。

抵御风暴

多年来，CloudSat飞越了名为Maria、Harvey和Sandy的强大风暴系统，在它们盘旋的卷云树冠下窥视。它的云剖面雷达擅长穿透云层，帮助科学家探索热带气旋是如何以及为什么会增强的。

在CloudSat的整个生命周期中，发生了几个可能导致任务结束的问题，这些问题与航天器的电池和用于控制卫星方向的反作用轮有关。CloudSat团队开发了独特的解决方案，包括在每个轨道的非日照部分“休眠”航天器以节省电力，以及用更少的反作用轮对其进行定向。他们的解决方案使操作得以继续，直到2023年12月云廓线雷达被永久关闭。

CloudSat在JPL的项目经理Deborah Vane说：“作为一个NASA大家庭，我们有敬业和有才华的团队，可以做以前从未做过的事情，这是我们的一部分。”。“我们用从未有人使用过的技术从这些异常中恢复过来。”

姐妹卫星

CloudSat于2006年4月28日与一颗名为CALIPSO（云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测的缩写）的激光雷达卫星同步发射。这两艘航天器加入了地球轨道上的国际天气和气候跟踪卫星星座。

雷达和激光雷达被认为是“主动”传感器，因为它们将能量束引导到地球——在CloudSat的情况下是无线电波，在CALIPSO的情况下则是激光——并测量能量束如何从云层和大气中的细颗粒物（气溶胶）反射。其他轨道科学仪器使用“被动”传感器来测量反射的阳光或地球或云层发出的辐射。

CloudSat和CALIPSO的轨道间隔不到一分钟，以太阳同步轨道从北极到南极绕地球一周，每天下午早些时候和午夜之后穿过赤道。他们重叠的雷达激光雷达足迹穿透大气层的垂直结构，研究薄云和厚云，以及可能影响云形成的尘埃、海盐、灰烬和煤烟等空气传播颗粒层。

气溶胶对云层的影响仍然是全球变暖预测的一个关键问题。为了探索这一问题和其他问题，最近发射的PACE卫星和美国国家航空航天局地球系统天文台未来的任务将以CloudSat和CALIPSO的新一代遗产为基础。

斯蒂芬斯说：“2030年的地球将不同于2000年的地球。”。“世界发生了变化，气候也发生了变化。继续进行这些测量将使我们对不断变化的天气模式有新的见解。”

更多关于任务

CloudSat项目由喷气推进实验室为美国国家航空航天局管理。喷气推进实验室在加拿大航天局的重要硬件贡献下开发了云剖面雷达仪器。科罗拉多州立大学提供科学数据处理和分发。科罗拉多州布鲁姆菲尔德的BAE系统公司设计并建造了该航天器。美国太空军和美国能源部提供了资源。美国和国际大学及研究中心为任务科学团队提供支持。加州帕萨迪纳的加州理工学院为美国国家航空航天局管理喷气推进实验室。

CALIPSO是美国国家航空航天局和法国国家空间研究中心的联合任务，于2023年8月结束了任务。