高层大气研究卫星

**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 月由發現號太空梭的 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。

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。小布希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。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，國際太空站的軌道在和 UARS 交合時曾經做過一次碎片迴避操作。

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。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。

## 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。

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 擁有較高的解析度和靈敏度。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。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 個月的全球資料庫，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。

看著儀器側身 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 個月的全球資料庫，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。

#### 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，以獲得高光譜解析度。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。

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解析度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。

#### 微波臨邊探測器（MLS）

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。

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。

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解析度 1.6 公里的廣泛區域。

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

#### 高解析度都卜勒成像儀（HRDI）

高解析度都卜勒成像儀（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，根據譜線的都卜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。

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。

#### 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。

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。

### 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。

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（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。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.。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。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暖化的作用比之前全球循環模型（GCM）預測的作用更高（高 50%）。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資料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資料庫的重要組成部分。

## 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。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。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。

網際網路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，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。

美國 NASA 軌道殘骸負責人尼古拉斯・詹森表示：「報廢的高層大氣研究衛星殘骸或永遠也找不到」。

## 參考資料

## 延伸閱讀

* Goddard Space Flight Center. UARS Project Data Book: The UARS Instruments (PDF). NASA: 4–1–4-63. 1987 [22 September 2011]. （原始內容 (.PDF) 存檔於 2012-04-02）.

## 外部連結

* UARS project science office page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* UARS summary from NASA Earth Science （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* View and download HALOE data （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* UARS Re-Entry Updates （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）