窥探云的中心：美国国家航空航天局CloudSat结束革命性之旅
云卫星（CloudSat）是美国国家航空航天局（NASA）的一项飞行任务，曾窥探飓风、统计全球降雪率以及实现其他天气和气候方面的创举。该航天器原本计划执行为期 22 个月的任务，但在对云的垂直结构和冰/水含量进行了近 18 年的观测后，于最近退役。在近二十年的时间里，它的强大雷达提供了前所未见的云层细节，帮助推进了全球天气和气候预测。
艺术家的概念图展示了美国国家航空航天局（NASA）的CloudSat（CloudSat）航天器在地球上空的轨道上运行。它于 2006 年发射升空，在 2024 年 3 月寿命结束退役之前，提供了首次全球云特性调查。图片来源：NASA/JPL
按照计划，该航天器的寿命已经结束，无法再进行定期观测，上个月被降入一个轨道，最终将在大气层中解体。
2009年8月，美国国家航空航天局（NASA）的CloudSat（CloudSat）经过美国东海岸附近的飓风比尔（Bill）上空，捕捉到了来自四级风暴眼的数据。这对图像显示了从该机构的 Aqua 卫星（上图）看到的景象，以及 CloudSat 雷达测量到的云层垂直结构（下图）。图片来源：杰西-艾伦，美国宇航局地球观测站
革命性的雷达技术
2006 年发射的云层剖面雷达是首个在太空中飞行的 94 千兆赫波长（W 波段）雷达。该雷达的灵敏度是一般地面气象雷达的一千倍，它为云层提供了一种新的视角--不是屏幕上的平面图像，而是布满冰和雨的大气层的三维切片。
位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory）的这次任务的首席研究员格雷姆-斯蒂芬斯（Graeme Stephens）说，科学家们第一次可以同时观测云层和降水。他说："没有云，人类就不会存在，因为云提供了我们所知的生命所需的淡水。我们有时称它们为聪明的小恶魔，因为它们具有令人困惑的特性。在预测气候变化方面，云一直是一个谜。"
在这段动画中，云图卫星的雷达切片显示，2017 年 9 月，飓风玛丽亚在大西洋上迅速增强。红色和粉红色显示的高反射率区域延伸至 9 英里（15 公里）以上的高度，表明大量的水被吸入大气层的高处。图片来源：NASA/JPL-Caltech/CIRA
长期以来，云一直隐藏着许多秘密。在CloudSa出现之前，我们并不知道云在全球范围内产生雨雪的频率。自CloudSat发射以来，我们在了解云如何冷却和加热大气层和地表，以及云如何导致飞机结冰方面也取得了长足进步。
CloudSat的数据为数以千计的研究出版物提供了信息，并将继续帮助科学家们取得重要发现，包括全球云层中含有多少冰和水，以及云层是如何通过在大气中捕获热量来加速格陵兰岛和两极冰层的融化的。
多年来，CloudSat飞越了玛丽亚、哈维和桑迪等强大的风暴系统，窥探了它们卷云漩涡下的云层。它的云层剖面雷达擅长穿透云层，帮助科学家探索热带气旋如何以及为何会加剧。
在CloudSat的整个寿命期间，出现了几个可能会导致任务终结的问题，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团队制定了独特的解决方案，包括在每个轨道的非日照部分对航天器进行"休眠"以节省电能，以及使用较少的反作用轮进行定向。他们的解决方案使得云层剖面雷达能够继续运行，直到 2023 年 12 月永久关闭。
JPL的CloudSat项目经理Deborah Vane说："作为NASA大家庭的一员，我们拥有敬业而优秀的团队，他们能够做到前所未有的事情。我们用从未有人使用过的技术从这些异常现象中恢复过来。"
姊妹卫星CALIPSO
CloudSat于 2006 年 4 月 28 日与一颗名为CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation 的缩写）的激光雷达搭载卫星同时发射。这两个航天器加入了地球轨道上的天气和气候跟踪卫星国际星座。
雷达和激光雷达被认为是"主动"传感器，因为它们向地球发射能量光束--CloudSat使用无线电波，CALIPSO 使用激光--并测量光束如何反射云层和大气中的微粒（气溶胶）。其他轨道科学仪器使用"被动式"传感器，测量反射的太阳光或地球或云层发出的辐射。
CloudSat和CALIPSO的轨道相距不到一分钟，在太阳同步轨道上从北极到南极环绕地球一周，每天在午后和午夜后穿越赤道。它们重叠的雷达-激光雷达足迹穿过大气层的垂直结构，研究薄云和厚云，以及可能影响云形成的尘埃、海盐、灰烬和烟尘等气载颗粒层。
气溶胶对云的影响仍然是全球变暖预测的一个关键问题。为了探索这个问题和其他问题，最近发射的 PACE 卫星和 NASA地球系统观测站的未来任务将在 CloudSat 和 CALIPSO 的基础上再接再厉，为新一代的研究提供支持。
斯蒂芬斯说："2030 年的地球将不同于 2000 年的地球。世界变了，气候也变了。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认识。"
团队介绍
CloudSat项目由 JPL 为美国国家航空航天局管理。JPL 开发了云层剖面雷达仪器，加拿大航天局提供了重要的硬件。科罗拉多州立大学提供科学数据处理和分发服务。科罗拉多州布鲁姆菲尔德的 BAE 系统公司设计并建造了航天器。美国太空部队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。位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院为美国国家航空航天局管理 JPL。
CALIPSO 是美国国家航空航天局（NASA）和法国国家空间研究中心（CNES）的一项联合任务，于 2023 年 8 月结束。
编译来源：ScitechDaily
