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高層大氣研究衛星

高層大氣研究衛星（Upper Atmosphere Research Satellite，UARS）是一顆探測地球大氣尤其是臭氧層的科學探測衛星。這顆5900千克重的衛星是在1991年9月由發現號航天飛機的STS-48任務帶入太空的，並在1991年9月15日到達距地面高度為600公里的運行軌道，其軌道傾角為57度。

高層大氣研究衛星
Upper Atmosphere Research Satellite（UARS）
所屬組織美國宇航局（NASA）
主製造商洛克西德·馬丁公司
任務類型地球探測
環繞對象地球
發射時間1991年9月12日 23:11:04 (UTC) (1991-09-12T23:11:04Z)
發射手段發現號太空梭STS-48
發射地點佛羅里達州肯尼迪航天中心
任務時長14年91日（2005年12月15日）
軌道衰減2011年9月24日
COSPAR ID1991-063B
SATCAT no.21701在維基數據編輯
官方網站[1]
質量5,900千克
功耗1600.0 W
動力3 x 50 A-hour電池
軌道參數
半長軸600公里
離心率0°
傾角56.97999954223633°
遠拱點575.0公里
近拱點574.0公里
周期95.9分鐘

UARS原來設定的任務期限只是3年。但是直至2005年6月，即衛星發射後的第14年，UARS搭載的10個儀器中仍然有6個可以正常使用。小布什政府減少對地球科學組織的資金預算，但科學界對地球臭氧層耗損的關注卻在持續增加，這也使得是否應該讓UARS退役成為爭論的焦點[1]。2005年UARS正式退役，12月初，衛星鈍化進入配置軌道。2010年10月26日，國際空間站的軌道在和UARS交合時曾經做過一次碎片迴避操作[2]。

UARS預計將在美國東部時間2011年9月23日下午或傍晚（即UTC+8時區2011年9月24日凌晨）墜落到地球表面[3]。後美國航天局稱該衛星於格林尼治時間24日3時23分至5時9分（北京時間24日11時23分至13時9分）之間經由太平洋上空進入大氣層墜落至地球表面，具體落點不明確[4][5]。

儀器

化學研究

低溫管柱陣列基準光譜儀（CLAES）

低溫管柱陣列基準光譜儀（Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer，CLAES）是一個測定氮和氯化合物，臭氧，水蒸氣和甲烷的濃度和分布的光譜儀。它通過測量每種氣體獨特的紅外特徵來推斷對應氣體在大氣中的含量[6]。

為了從背景輻射中分辨出大氣微量氣體相對稀薄的特徵，CLAES擁有較高的分辨率和靈敏度。為了實現這個目標，CLAES上裝有一個紅外光譜望遠鏡。整個儀器處於低溫冷卻中，以防止儀器發出的熱量干擾讀數。CLAES的低溫系統由一個裝有-257°C（-430°F）固態氖的內膽和-150°C（-238°F）固態二氧化碳的外罐組成。由於氖和二氧化碳會升華變為氣體，計劃中它們將能在19個月內保持儀器處於低溫冷卻狀態[6]。1993年5月5日，冷卻劑全部用盡，儀器升溫，CLAES因此報廢。

CLAES位於衛星平台的側面，可以徹底調查平流層和中間層的情況。CLAES建立了一個19個月的全球數據庫，顯示平流層中臭氧層氣體的垂直分布和隨日期、季節、緯度、經度變化的請況。

看着儀器側身UARS的平台，讓儀器通過平流層和中間層的下部看。克拉斯生產19個月的全球數據庫，顯示出重要的臭氧層的氣體的垂直分布在平流層中，並與日，季節，緯度，經度和時間的變化。

 
發現號航天飛機釋放出UARS

平流層和中間層改進型探測器（ISAMS）

平流層和中間層改進型探測器（Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder，ISAMS）裝在UARS的兩邊，是一個測量地球邊緣（從UARS看過去的地平線）熱輻射的紅外輻射計。它使用壓力調製技術，以獲得高光譜分辨率。此外，創新的斯特林循環冷卻器系統，可實現儀器高靈敏度。ISAMS使用7個不同的氣體池來探測6種不同的氣體：二氧化碳（2倍）、一氧化碳、甲烷、氧化亞氮、二氧化氮和水。二氧化碳氣體池也可以用來測量臭氧，硝酸和五氧化二氮[7]。

ISAMS的具體目標是：

  • 獲得從對流層頂到中間層頂具有良好的精度和空間分辨率大氣溫度的壓力函數測量值，並因此研究對應區域的結構和動態變化；
  • 調查大氣中層中的水汽分布和變化，以確定其在大氣環流的作用，以及它們的源頭和降落的請況；
  • 測量氮氧化物的全球分布，並因此調查它們的起源以及它們在控制平流層中臭氧層的臭氧量催化循環的作用。

此外，ISAMS還為中層大氣中的火山氣溶膠和極地平流層雲情況提供廣泛的參考資料。這個儀器的使用時間為1991年9月至1992年7月[8]。

微波臨邊探測器（MLS）

 
裝載入高層大氣研究衛星前的微波臨邊探測器

微波臨邊探測器（Microwave Limb Sounder，MLS）檢測地球邊緣的自然產生的微波熱排放，以建立一個大氣氣體，溫度，壓力和冰雲的垂直剖面。它裝載在和衛星的軌道垂直的位置[9]。

MLS通過三鏡天線系統探測熱輻射。天線每65.5秒對地球邊緣的垂直平面機械掃描一次。掃描涵蓋的範圍為從表面到高度為90公里之間的空間。熱輻射信號進入儀器後，被分成三個信號被不同的輻射計進行處理。其中63-GHz輻射計測量溫度和壓力，183-GHz輻射計測量水蒸氣和臭氧，而205-GHz輻射計測量氧化氯、臭氧、二氧化硫、硝酸和水蒸汽[9]。

到2005年6月，63-GHz輻射計和205-GHz輻射計還可以運作，而183-GHz輻射計則在運作19個月後報廢。

鹵素掩星實驗（HALOE）

鹵素掩星實驗（Halogen Occultation Experiment，HALOE）是一個可以掩蓋太陽光線同時測量臭氧、氯化氫、氟化氫、甲烷、水蒸氣、一氧化氮、二氧化氮等氣體和溫度的垂直廓線和氣溶膠的消光係數的儀器。它可以從八個不同紅外波段測量地球邊緣垂直分辨率1.6公里的廣泛區域[10]。

HALOE在追蹤並掩蓋太陽的過程中同時進行大氣的垂直掃描。掃描測量大氣中的氣體吸收太陽能量的情況。為了支持這種功能，儀器由兩部分組成。一部分是在兩軸平衡環的光學系統，包含一個可以收集太陽能和探測氣體的望遠鏡。另一部分是一個固定的電子裝置，用於數據處理、儀器控制和電源控制。

動力學

高分辨率多普勒成像儀（HRDI）

高分辨率多普勒成像儀（High Resolution Doppler Imager，HRDI）觀測地球邊緣方向的氧分子吸收線（平流層）和輻射（中層和低熱層）的情況，根據譜線的多普勒漂移確定水平風速，並使用線型和線強獲取溫度和大氣成分的信息[11]。

HRDI由兩部分組成：望遠鏡以及包括光學台和支持電子設備的干涉儀組成。這個儀器從1991年11月一直運行到2005年4月[11]。

風成像干涉儀（WINDII）

風成像干涉儀（Wind Imaging Interferometer，WINDII）測量從大氣光到極光範圍內的風、溫度和輻射率情況。儀器觀測兩個方向，分別位於衛星速度矢量方位的45度和135度，使得儀器在前一次觀測後不久就會再次觀測相同地區的天空[12]。

WINDII由一個裝有CCD相機的干涉儀組成。兩台望遠鏡（45度和135度）都擁有一米長的擋板管，以減少在白天觀測時的散射光。兩台望遠鏡的輸入端並排排列在CCD相機上，使得觀測到的圖像可以同時成像。

 
2010年6月16日拍攝的UARS閃光照片（M. Langbroek拍攝）

能量探測

太陽紫外光譜輻照度監測儀（SUSIM）

太陽紫外光譜輻照度監測儀（Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor，SUSIM）測量太陽紫外線的排放量。儀器通過保持真空和大氣對太陽的遮擋起作用。這個儀器可以用於比較到達大氣層外的紫外線和到達地面的紫外線數量的不同[13]。

由於高能量的紫外線對SUSIM的損耗非常大，為了解決這個問題，儀器包含兩個相同的光譜儀。一個在衛星軌道被處於白天時持續使用，另外一個則是不經常使用，僅用於驗證第一個光譜儀的敏感性。

太陽—恆星比較實驗儀（SOLSTICE）

太陽—恆星比較實驗儀（Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment，SOLSTICE）是一個測量太陽輻射的儀器。它使用一種新穎的方法，不是通過內部參考燈作為參考標準燈進行校準，而是通過定期觀測一些明亮的藍色恆星作為參考標準來檢測儀器狀態。這種方法理論上在衛星的壽命範圍內具有非常穩定的測量精度。儀器的輸入端狹縫分為太陽模式或恆星模式，以適應觀測目標（太陽和亮恆星）之間巨大的亮度差異。除恆星外，SOLSTICE偶爾測量其他目標天體，包括月球和太陽系中的其他天體。

主動腔輻射計輻射強度監測儀二代（ACRIM2）

 
主動腔輻射計輻射強度監測儀二代

主動腔輻射計輻射強度監測儀二代（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor II，ACRIM2）測量太陽總輻照度，到達地球的總太陽輻射能量，並繼續完成太陽極限任務衛星（Solar Maximum Mission，SMM）搭載的主動腔輻射計輻射強度監測儀一代（ACRIM1）實驗從1980年開始的氣候變化資料庫[14]。ACRIM1實驗首次發現太陽總輻照度的變化以及它與太陽磁活動現象變化的內在關係.[15]。ACRIM實驗從2分鐘的間斷觀測到持續二十年的觀測都證實太陽總輻照度每時每刻都在變化[16]。準確了解太陽總輻照度隨時間變化的情況，是了解氣候變化必不可少的前提。最近的研究結果發現，太陽總輻照度的變化在工業時代後全球變暖的作用比之前全球循環模型（GCM）預測的作用更高（高50%）[17]。社會和經濟的發展要求更深刻地了解自然和人類活動對氣候變化的貢獻和作用，這就使得太陽總輻照度數據庫成為氣候變化研究的一個重要組成部分，在可預見的未來中必須持續監測。而UARS/ACRIM2實驗是提供長期太陽總輻照度數據庫的重要組成部分。

退役和墜落

軌道下降

高層大氣研究衛星在2005年退役，並在12月初衛星進行系統鈍化，軌道下降至配置軌道。

墜落

2011年9月7日，美國航空航天局（NASA）宣布UARS即將失控墜落地球，並指出可能會對公眾造成小規模的危險[18]。美國東部時間2011年9月22日21:30，UARS的軌道已經下降到離地面175公里至185公里之間。預計將在美國東部時間9月23日下午或傍晚墜落到地球表面。雖然衛星的大部分都會在大氣層中燒毀，但仍有一些碎片可能會到達地球表面[19]。預計可能有26塊碎片會撞擊地球表面，其中最大的一塊重量估計有158.3公斤，撞擊地面時的速度可能高達每秒44米。其他相對小的部分撞擊地面的速度可能達到每秒107米[20]。

互聯網上有一些加拿大網民消息稱有疑似衛星殘骸划過天空墜落於加拿大[21]，但加國警方對此否認表示此消息不實，未在相應地點發現任何殘骸[22][23]。

美國NASA軌道殘骸負責人尼古拉斯·約翰遜表示：「報廢的高層大氣研究衛星殘骸或永遠也找不到」[5]。

參考資料

  1. ^ W. Henry Lambright, 2005. NASA and the Environment: The Case of Ozone Depletion, "The UARS controversy" p 43f.
  2. ^ Orbital Debris Quarterly News (PDF) 15 (3). NASA Orbital Debris Program Office: 2. July 2011 [2011-09-22]. （原始內容 (PDF)存檔於2011-10-20）. 
  3. ^ Robert Garner. Update #9. UARS. NASA. 22 September 2011 [22 September 2011]. （原始內容存檔於2018-02-25）. 
  4. ^ 美坠地卫星落点成谜团. 北晨網. 2011-09-24 [2013-02-15]. （原始內容存檔於2013-12-03）. 
  5. ^ 5.0 5.1 美国NASA科学家：报废卫星残骸或永远找不到. 中國日報網. [2013-02-15]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  6. ^ 6.0 6.1 CLAES Mission. Lockheed Martin Space Physics Laboratory. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2009-01-06）. 
  7. ^ Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder (ISAMS). British Atmospheric Data Centre. [22 September 2011]. （原始內容存檔於2011-07-05）. 
  8. ^ The Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder (ISAMS) Level 2 data. British Atmospheric Data Centre (BADC). [10 September 2011]. （原始內容存檔於2011-08-05）. 
  9. ^ 9.0 9.1 The UARS MLS Instrument: Microwave Limb Sounder (MLS). NASA/JPL. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2011-09-27）. 
  10. ^ The Halogen Occultation Experiment (HALOE). NASA Langley Research Center. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2008-11-20）. 
  11. ^ 11.0 11.1 The High Resolution Doppler Imager. The High Resolution Doppler Imager. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2011-09-24）. 
  12. ^ WINDII - The Wind Imaging Interferometer. York University Solar Terrestrial Physics Laboratory. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2007-06-28）. 
  13. ^ SUSIM UARS: An Ongoing Satellite Experiment Measuring the Spectral Composition of Solar Ultraviolet Light. Naval Research Laboratory E. O. Hulburt Center for Space Research. [10 September 2011]. （原始內容存檔於2018-10-06）. 
  14. ^ Total Solar Irradiance (TSI) Monitoring. Jet Propulsion Laboratory. 2005 [2 September 2011]. （原始內容存檔於2017-06-11）. 
  15. ^ Willson, R.C., S. Gulkis, M Janssen, H.S. Hudson and G.A. Chapman, Observations of Solar Irradiance Variability, Science, v. 211, 1981.
  16. ^ Willson, R.C., Hudson, H.S., the Sun's luminosity over a complete solar cycle, Nature, v. 351, pp. 42–44, 1991
  17. ^ Scafetta, N., West, B. J., Phenomenological solar contribution to the 1900–2000 global surface warming, Geophys. Res. Lett., V. 33, 2006
  18. ^ David, Leonard. Huge Defunct Satellite to Plunge to Earth Soon, NASA Says. Space.com. 7 September 2011 [10 September 2011]. （原始內容存檔於2021-05-06）. 
  19. ^ Orbital Debris ORSAT. NASA. [17 September 2011]. （原始內容存檔於2021-04-05）. 
  20. ^ Re-entry and risk assessment for the NASA Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) (PDF). NASA Orbital Debris Program Office. 9 September 2011 [22 September 2011]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-05-10）. 
  21. ^ 美国“高层大气研究卫星”残骸已经坠落至地球表面. 新華網. [2013-02-15]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  22. ^ 加拿大警方：美卫星残骸坠落亚伯达省非事实. 中央廣播電台. [2013-02-15]. [永久失效連結]
  23. ^ 加警称美卫星残骸落亚伯达不实. 新浪網-北美. [2013-02-15]. 

延伸閱讀

外部連結

 
維基共享資源上的相關多媒體資源：高層大氣研究衛星
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