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高层大气研究卫星

高层大气研究卫星是NASA地球科学事业计划的第一个任务。它也是第一个专门研究地球高层大气中发生的物理和化学过程的航天任务。它的主要目标包括测量高层大气里的能量流(输入和损失)和全球光化学,包括臭氧洞的变化。这颗5900千克重的卫星是在1991年9月由发现号航天飞机的STS-48任务带入太空的,并在1991年9月15日到达距地面高度为600千米的运行轨道,其轨道倾角为57度。

武器性能

  • 中文名:高层大气研究卫星
  • 简 称:UARS
  • 外文名:Upper Atmosphere Research Satellite
  • 时 间:1991年9月15日
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    研发背景编辑本段

    美国国家航空和航天局(NASA)的高层大气研究卫星(UARS)于1991年9月12日从发现号航天飞机(STS-48)上
    发射。三天后该卫星进入585 km高度的轨道.与赤道成57°的倾角。高层大气研究卫星(UARS)用于研究地球的平流层、中问层和对流层的物理和化学过程,采用低温临边阵列基准光谱仪、平流层和中间层改进型探测器、微波临边探测器和卤素掩星试验这4台仪器测量大气成分和温度,高分辨率多普勒成像仪和风场成像干涉仪这2台仪器观测大气风.太阳和恒星辐照度比较实验、太阳紫外光谱辐照度监测仪和粒子环境监测器这3台仪器测量来自太阳辐射和带电粒子的能量。第10台仪器有源腔体辐射计可利用搭载在UARS上的机会继续进行太阳常数测量。
    高层大气研究卫星(UARS)是NASA对行星地球计划的第一颗主要卫星,该计划是一个多年全球研究计划,它利用地基的、空基的以及天基的仪器把地球作为一个完整的环境系统来进行研究。NASA的行星地球计划是美国全球变化研究计划(GCRP.Global Change Research Program)的一部分,这是由多个机构和组织组成的.以求更好地理解、分析和预测人类活动对地球环境的影响。
    UARS数据可用来进一步了解为保护地球免受太窄环境影响的大气混合物的特征。UARS可提供第一份关于高层大气化学、风和能量的完整的数据集。
    UARS关注的焦点之一是,人类的技术进步正在改变全球性的平流层或高层大气的臭氧损耗。平流层位于地球表面上大约9英里至30英里(1英里=1609 m)的高度。平流层含丰富的臭氧。一个臭氧分子由3个氧原子所组成,它可以阻挡导致皮肤癌和损害农作物的紫外辐射。
    尽管某些自然原因也会导致平流层的臭氧损耗,例如火山爆发,但是在春季南半球南极上空形成的“臭氧空洞”以及过去十年间在北半球中纬度上空观测到的臭氧损耗的5%都是由人类活动直接导致的。这些长期的臭氧损耗趋势是由作为工业副产物排放人大气的氯化合物所引起的,这些工业包括制冷和制作塑料泡沫。
    为了更透彻地研究臭氧损耗以更好地理解地球脆弱大气的其他特征,需要从卫星轨道上获取全球总览图,利用最高端的仪器同时测量导致臭氧损耗的所有因素。为了达到这一科学目的,UARS科学计划设计了一个组装有9台仪器的卫星,这些仪器用来研究高层大气的化学、动力学和能量系统。除了UARS仪器科学小组以外,另外有10个小组将根据UARS数据改进高层大气的理论模型.从而提高预测大气变化的影响的能力。
    一个更广泛的采用地基仪器、太空飞行器和热气球搭载仪器进行观测的相关研究计划正在筹备中。UARS计划提供的解决行星地球计划挑战所需要的数据.能够进一步了解和预测人类活动对环境的影响。

    卫星仪器编辑本段

    化学研究

    1.低温管柱阵列基准光谱仪 (CLAES)

    低温管柱阵列基准光谱仪(Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer,CLAES)是一个测定 氮和 氯化合物, 臭氧, 水蒸气和 甲烷的浓度和分布的 光谱仪。它通过测量每种气体独特的红外特征来推断对应气体在大气中的含量。

    为了从背景辐射中分辨出大气微量气体相对稀薄的特征,CLAES拥有较高的分辨率和灵敏度。为了实现这个目标,CLAES上装有一个红外光谱望远镜。整个仪器处于低温冷却中,以防止仪器发出的热量干扰读数。CLAES的低温系统由一个装有-257°C(-430°F)固态 氖的内胆和-150°C(-238°F)固态 二氧化碳的外罐组成。由于氖和二氧化碳会升华变为气体,计划中它们将能在19个月内保持仪器处于低温冷却状。1993年5月5日,冷却剂全部用尽,仪器升温,CLAES因此报废。

    CLAES位于卫星平台的侧面,可以彻底调查 平流层和 中间层的情况。CLAES建立了一个19个月的全球数据库,显示平流层中臭氧层气体的垂直分布和随日期、季节、纬度、经度变化的请况。

    看着仪器侧身UARS的平台,让仪器通过平流层和中间层的下部看。克拉斯生产19个月的全球数据库,显示出重要的臭氧层的气体的垂直分布在平流层中,并与日,季节,纬度,经度和时间的变化。

    2.平流层和中间层改进型探测器(ISAMS)

    平流层和中间层改进型探测器(Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder,ISAMS)装在UARS的两边,是一个测量地球边缘(从UARS看过去的地平线) 热辐射的红外辐射计。它使用压力调制技术,以获得高光谱分辨率。此外,创新的斯特林循环冷却器系统,可实现仪器高灵敏度。ISAMS使用7个不同的气体池来探测6种不同的气体: 二氧化碳(2倍)、 一氧化碳、 甲烷、 氧化亚氮、 二氧化氮和 水。二氧化碳气体池也可以用来测量 臭氧, 硝酸和 五氧化二氮。

    ISAMS的具体目标是:

    获得从 对流层顶到 中间层顶具有良好的精度和空间分辨率大气温度的压力函数测量值,并因此研究对应区域的结构和动态变化; 调查大气中层中的水汽分布和变化,以确定其在大气环流的作用,以及它们的源头和降落的请况; 测量氮氧化物的全球分布,并因此调查它们的起源以及它们在控制平流层中臭氧层的臭氧量催化循环的作用。

    此外,ISAMS还为中层大气中的火山气溶胶和极地平流层云情况提供广泛的参考资料。这个仪器的使用时间为1991年9月至1992年7月。

    3.微波临边探测器(MLS)

    微波临边探测器(Microwave Limb Sounder,MLS)检测地球边缘的自然产生的微波热排放,以建立一个大气气体,温度,压力和冰云的垂直剖面。它装载在和卫星的轨道垂直的位置。 MLS通过三镜天线系统探测热辐射。天线每65.5秒对地球边缘的垂直平面机械扫描一次。扫描涵盖的范围为从表面到高度为90千米之间的空间。热辐射信号进入仪器后,被分成三个信号被不同的辐射计进行处理。其中63-GHz辐射计测量温度和压力,183-GHz辐射计测量水蒸气和臭氧,而205-GHz辐射计测量氧化氯、臭氧、 二氧化硫、硝酸和水蒸汽。

    到2005年6月,63-GHz辐射计和205-GHz辐射计还可以运作,而 183-GHz辐射计则在运作19个月后报废。

    4.卤素掩星实验(HALOE)

    卤素掩星实验(Halogen Occultation Experiment,HALOE)是一个可以掩盖太阳光线同时测量臭氧、 氯化氢、 氟化氢、甲烷、水蒸气、 一氧化氮、二氧化氮等气体和温度的垂直廓线和气溶胶的消光系数的仪器。它可以从八个不同红外波段测量地球边缘垂直分辨率1.6公里的广泛区域。

    HALOE在追踪并掩盖太阳的过程中同时进行大气的垂直扫描。扫描测量大气中的气体吸收太阳能量的情况。为了支持这种功能,仪器由两部分组成。一部分是在两轴平衡环的光学系统,包含一个可以收集太阳能和探测气体的望远镜。另一部分是一个固定的电子装置,用于数据处理、仪器控制和电源控制。

    动力学

    5.高分辨率多普勒成像仪(HRDI)

    高分辨率多普勒成像仪(High Resolution Doppler Imager,HRDI)观测地球边缘方向的氧分子吸收线(平流层)和辐射(中层和低热层)的情况,根据谱线的多普勒漂移确定水平风速,并使用线型和线强获取温度和大气成分的信息 。

    HRDI由两部分组成:望远镜以及包括光学台和支持电子设备的干涉仪组成。这个仪器从1991年11月一直运行到2005年4月。

    6.风成像干涉仪(WINDII)

    风成像干涉仪(Wind Imaging Interferometer,WINDII) 测量从 大气光到 极光范围内的风、温度和辐射率情况。仪器观测两个方向,分别位于卫星速度矢量方位的45度和135度,使得仪器在前一次观测后不久就会再次观测相同地区的天空。

    WINDII由一个装有 CCD相机的干涉仪组成。两台望远镜(45度和135度)都拥有一米长的挡板管,以减少在白天观测时的散射光。两台望远镜的输入端并排排列在CCD相机上,使得观测到的图像可以同时成像。

    能量探测

    7.太阳紫外光谱辐照度监测仪(SUSIM)

    太阳紫外光谱辐照度监测仪(Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor,SUSIM)测量太阳 紫外线的排放量。仪器通过保持真空和大气对太阳的遮挡起作用。这个仪器可以用于比较到达大气层外的紫外线和到达地面的紫外线数量的不同。 由于高能量的紫外线对SUSIM的损耗非常大,为了解决这个问题,仪器包含两个相同的光谱仪。一个在卫星轨道被处于白天时持续使用,另外一个则是不经常使用,仅用于验证第一个光谱仪的敏感性。

    8.太阳—恒星比较实验仪(SOLSTICE)

    太阳—恒星比较实验仪(Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment,SOLSTICE)是一个测量太阳辐射的仪器。它使用一种新颖的方法,不是通过内部参考灯作为参考标准灯进行校准,而是通过定期观测一些明亮的蓝色恒星作为参考标准来检测仪器状态。这种方法理论上在卫星的寿命范围内具有非常稳定的测量精度。仪器的输入端狭缝分为太阳模式或恒星模式,以适应观测目标(太阳和亮恒星)之间巨大的亮度差异。除恒星外,SOLSTICE偶尔测量其他目标天体,包括 月球和 太阳系中的其他天体。

    9.主动腔辐射计辐射强度监测仪二代(ACRIM2)

    主动腔辐射计辐射强度监测仪二代(Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor II,ACRIM2)测量太阳总辐照度,到达地球的总太阳辐射能量,并继续完成太阳极限任务卫星(Solar Maximum Mission,SMM)搭载的主动腔辐射计辐射强度监测仪一代(ACRIM1)实验从1980年开始的气候变化资料库。ACRIM1实验首次发现太阳总辐照度的变化以及它与太阳磁活动现象变化的内在关系.。ACRIM实验从2分钟的间断观测到持续二十年的观测都证实太阳总辐照度每时每刻都在变化。准确了解太阳总辐照度随时间变化的情况,是了解气候变化必不可少的前提。最近的研究结果发现,太阳总辐照度的变化在工业时代后全球变暖的作用比之前全球循环模型(GCM)预测的作用更高(高50%)。社会和经济的发展要求更深刻地了解自然和人类活动对气候变化的贡献和作用,这就使得太阳总辐照度数据库成为气候变化研究的一个重要组成部分,在可预见的未来中必须持续监测。而UARS/ACRIM2实验是提供长期太阳总辐照度数据库的重要组成部分。

    性能参数编辑本段

    UARS卫星运行在倾角57°、高度585km的圆轨道上。卫星质量6526kg,其中有效载荷2700kg,卫星直径4.6m,高10.7m。单边太阳翼尺寸为1.5m×3.3m,总功率1.6kW。

    卫星为三轴姿态稳定,姿态测量精度20°,姿态控制精度36°星上带有2台450Mbit的磁带记录器。测控链路采用S频段,并带有数据中继天线,以512kbit/s的数据传输速率通过“跟踪与数据中继卫星”(TDRS)传回地面。

    UARS卫星的有效载荷如下。

    1)“低温临边阵列标准具光谱仪”:是一台固态氢致冷式光谱仪,用于测量大气中氮和卤族元素及臭氧、水蒸气、甲烷和二氧化碳等气体的分布。

    2)“改进型平流层和中间层探测器”:是一台机械致冷式光谱仪,用来测量大气发射。

    3)“微波临边探测器”:足一台微波辐射计,在63GHz、183GHz和205GHz顿率上测量大气热发射。

    4)“卤素掩星实验装置”:是一台采用太阳掩星探测的辐射计.用于测量平流层中的臭氧、氯化氢、氟化氖、甲烷、水蒸气、一氧化氮、二氧化氮等气布,光谱范围2.43~10.25um,大气临边垂直方向分辨率为1.6km,水平方向为6.2km。

    5)“太阳-恒星辐照度比较实验仪”:用来测量太阳和恒星辐照度的紫外光谱仪。

    6)“太阳紫外光谱辐照度监测仪”:在紫外波段测量太阳光谱的辐照度。

    结构特点编辑本段

    UARS基于标准多任务模块卫星(MMS)设计,由仙童公司研制,卫星的有效载荷舱装载仪器。多任务模块卫星肼发动机舱用来推动卫星进入轨道和保持高度。卫星用反应轮和力矩杆来保证三轴稳定。单组太阳能电池阵列产生1.6千瓦电能。

    退役和坠落编辑本段

    轨道下降

    高层大气研究卫星在2005年退役,并在12月初卫星进行系统钝化,轨道下降至配置轨道。

    坠落事件

    2011年9月7日, 美国航空航天局(NASA)宣布UARS即将失控坠落地球,并指出可能会对公众造成小规模的危险。美国东部时间2011年9月22日21:30,UARS的轨道已经下降到离地面175千米至185千米之间。预计将在美国东部时间9月23日下午或傍晚坠落到地球表面。虽然卫星的大部分都会在大气层中烧毁,但仍有一些碎片可能会到达地球表面。预计可能有26块碎片会撞击地球表面,其中最大的一块重量估计有158.3公斤,撞击地面时的速度可能高达每秒44米。其他相对小的部分撞击地面的速度可能达到每秒107米。

    在 加拿大 艾伯塔奥科托克斯发现相信是该卫星的碎片。

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