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早期的研究結果表明，紫外線激光雷達可以為天氣和氣候研究提供重要的新數(shù)據(jù)，但激光功率正在緩慢衰減。

從衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖是測量風速的最佳方法。因此，裝備激光雷達的風神衛(wèi)星于去年8月發(fā)射，標志著在測量世界各地從地面到平流層用于天氣預報和氣候研究的風速方面取得了突破。

最初的9個月證明了它的價值?！睔W洲航天局地球觀測主任Josef Aschbacher5月說：“風能數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常好。”然而，用于測量的阿拉丁紫外激光器發(fā)出的高能脈沖變得越來越暗。

近日，歐空局將開啟一臺備用激光器，預計將花費3至4周時間進行調(diào)試。”風神號的任務經(jīng)理Tommaso Parrinello在一封電子郵件中告訴Spectrum，“第一批數(shù)據(jù)只能由專家用戶獲得，應該在7月底之前提供?！睔W空局預計還需要一個月的時間來確認繼續(xù)研究天氣和氣候的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

天氣和氣候趨勢取決于風速，因此準確測量整個大氣中的風速對天氣預報和氣候研究至關重要。我們可以通過觀察風驅(qū)動云的運動和風吹海洋表面的湍流來間接估算風速。然而，最精確的速度測量是將探頭直接插入移動的空氣中。氣象氣球是最常見的探測器，由地面和飛機安裝的儀器補充，但這些探測器的數(shù)量是有限的。

向空中發(fā)射激光脈沖是另一種測量風速的方法。把激光放在衛(wèi)星上可以讓它的脈沖探測全世界的大氣。空氣分子將一些激光直接散射回激光器，在這個過程中，波長稍微移動一點，移動量取決于分子的速度。安裝在衛(wèi)星上的傳感器可以檢測激光輸出和反射光之間的差異，從而測量空氣速度。這種激光被稱為激光雷達或激光雷達，最著名的是它的短程應用于警察測速和自動駕駛汽車。

激光雷達以前曾在太空飛行過，但主要是用來測量離地面的距離。一個著名的例子是火星軌道器激光高度計，它從火星全球勘測員那里繪制了這顆紅色行星的地圖。這很有效，因為堅硬的表面能反射大部分激光能量。另一方面，空氣只反射激光的一小部分，使其更難測量風速。然而，空氣在較短的波長下散射更多的光，所以激光雷達的返回可以通過使用在較短的紫外線波長下發(fā)射高能脈沖來增加。

Illustration: ESAA technical view of the ADM-Aeolus satellite’s Aladin instrument. It incorporates two powerful lasers, a large telescope and very sensitive receivers. The laser generates UV light which is beamed towards Earth. 

歐空局定制了一種高功率激光器，他們稱之為Aladin，工作非常穩(wěn)定，在精確的波段每秒發(fā)射50個脈沖進行測量。激光工作得很好，但是當他們在2005年在真空中測試光學系統(tǒng)時，他們發(fā)現(xiàn)強烈的紫外線脈沖破壞了光學表面易碎的涂層，模糊了光學系統(tǒng)。修復這一問題花了十多年時間，并在去年推出風神號時將總成本提高到5.6億美元。

激光一到達軌道就發(fā)射了65毫焦耳的紫外線，但在最初的9個月里，這種能量下降了20%到30%，Aschbacher說，5月份它每周會損失1毫焦耳。Parrinello說，這是比早期的高能紫外線激光器在太空中取得的巨大進步，后者在幾個小時內(nèi)就失效了。歐洲中期天氣預報中心發(fā)現(xiàn)，所得數(shù)據(jù)足以提高天氣預報質(zhì)量。然而，在功率下降的速度下，風神號將無法收集三年來尋求研究的數(shù)據(jù)。

對衛(wèi)星性能的分析發(fā)現(xiàn)，損失源于激光的多個問題，而不是早期光學困難的重現(xiàn)。激光束似乎偏離了目標區(qū)域，降低了輸出功率。半導體二極管激光器把輸入的電能轉(zhuǎn)換成紫外光，似乎在變暗。

幸運的是，歐空局的設計包括一個冗余激光器，作為原始激光器的備份。備用激光器的設計基本上與衰落激光器相同，但沒有使用備用激光器，地面試驗表明其脈沖能量可以更容易地調(diào)整。Parrinello說，備用激光的額外裕度應該足以讓Aeolus收集所需的三年數(shù)據(jù)，但他警告說，大功率激光任務“離失敗只有一步之遙”。衛(wèi)星壽命也受到穩(wěn)定其球體所需的有限燃料的限制。影響范圍在320公里處，海拔很低，每周都需要提升。

風神號的研究結果已經(jīng)引起人們對一顆用于氣象觀測的后續(xù)運行衛(wèi)星的興趣，Parrinello說，歐空局已經(jīng)與歐洲氣象衛(wèi)星利用組織交換了意向書。