从天气预报到气候变化,美国宇航局的 AIRS 创造了一个遗产

图片来源:NASA/JPL-Caltech

大气红外探测器可帮助研究人员预测天气、分析空气污染、监测火山和追踪气候变化。 还有更多。

4 月 13 日,一场暴风雪在北达科他州的迈诺特地区降下 4 英尺厚的雪,因为一场干旱引发的野火在新墨西哥州的鲁伊多索燃烧,严重的风暴在肯塔基州催生了八次龙卷风。 自 2002 年推出以来,NASA 的大气红外探测器 (AIRS) 帮助天气预报员预测这些事件。但现在,AIRS 还帮助研究人员计算气候变化在这些极端天气事件中的作用。 当气象仪器于 2002 年 5 月在美国宇航局的 Aqua 卫星上发射时,它以其他无法预见的方式变得不可或缺。

“了解 21 世纪头几十年发生的事情对于了解气候变化至关重要,没有比 AIRS 更好的研究记录了,”美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室的 AIRS 科学团队负责人 Joao Teixeira 说。 “我认为我们是这个宝贵数据集的守护者,这将是我们为子孙后代留下的遗产。”

AIRS 测量来自卫星下方空气的红外热辐射,以创建大气温度和水蒸气的三维地图,这是任何天气的主要成分。 事实证明,该仪器几乎立即取得了成功:在 AIRS 推出后的三年内,专业气象学家对预测的评估表明,将 AIRS 数据纳入天气预报模型可以显着提高准确度。

去年 6 月,美国宇航局的 AIRS 仪器在太平洋西北部加强了创纪录的热浪。 AIRS 仍然是天气预报的重要资源,在推出 20 年后,它也已成为了解气候变化在此类天气事件中的作用的资源。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

超越天气

AIRS 仪器是一种光谱仪,可以将辐射分解为波长,就像棱镜一样。 但是早期的太空光谱仪有 15 或 20 个检测器,每个检测器都观察到宽波段的红外波长,而 AIRS 有 2,378 个检测器,每个检测器都感应特定的波长,每个检测器 close 每天测量 300 万次。 数据质量和数量的巨大进步不仅成功地改进了天气预报,而且激发了来自世界各地航天机构的新一代类似的星载仪器。

2002 年,要使这项技术准备好推出,需要创新的设计和巧妙的结构来容纳数千个探测器。 该仪器的创造者最终将探测器排成 17 条长线,每个探测器宽约 150 个探测器宽(以防万一出现故障),并将它们封装到一个焦平面组件上。 “当我第一次看到它时,我说,‘你一定是在开玩笑吧,’”喷气推进实验室 AIRS 的项目经理汤姆·帕加诺 (Tom Pagano) 说,“这在当时是一项重大的工程成就。”开发用于冷却 AIRS 探测器的无摩擦低温冷却器,导致仪器持续了极长的时间并且非常稳定。

“由于惊人的工程技术,我们现在拥有的数据质量几乎与 20 年前仪器是新的时相同,”特谢拉说。

稳定性对于科学家从每年天气变化的噪音中查明微小但持久的气候变化信号至关重要。 随着全球气温攀升至比工业化前时期高出 1.5 摄氏度,AIRS 二十年的一致和多方面的测量提供了首屈一指的全球变暖卫星记录。 还有其他关于个别温室气体或地表温度的卫星记录,例如 example,但没有其他全球数据记录与 AIRS 数据集中的时间跨度和广泛的波长范围相匹配。

AIRS 于 2002 年在 NASA 的 Aqua 卫星上发射,它创建了空气和地表温度、水蒸气和云特性的 3D 地图。 它的数据形成了给定时间和地点大气状态的“指纹”,为子孙后代提供气候数据。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

传统建筑

帕加诺说,当 AIRS 启动时,任务团队渴望收集数据 15 年。 “我们付出了难以想象的努力来制造一种不会在轨道上失败的仪器。这就是我们怎样在 Aqua 卫星上制造这些仪器的理念。”

随着数据的不断涌现,研究人员发现了越来越多的用途。 研究人员最近使用 AIRS 数据检测了 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 火山喷发的大气波。 今年早些时候,研究人员还使用 AIRS 数据来量化湿度与流感爆发之间的联系。 此外,AIRS 数据用于跟踪云、二氧化碳、甲烷、臭氧和其他气体和污染物,其光谱特征在 AIRS 检测到的红外波长范围内。

AIRS 团队和其他研究人员仍在研究该数据集的更多应用。 Pagano 说:“这件乐器还有更多可挖掘的东西。” “它有如此丰富的信息内容。”