紫外线激光雷达可以为天气和气候研究提供重要的新数据

早期的研究结果表明，紫外线激光雷达可以为天气和气候研究提供重要的新数据，但激光功率正在缓慢衰减。

从卫星发射激光脉冲是测量风速的最佳方法。因此，装备激光雷达的风神卫星于去年8月发射，标志着在测量世界各地从地面到平流层用于天气预报和气候研究的风速方面取得了突破。

最初的9个月证明了它的价值。”欧洲航天局地球观测主任Josef Aschbacher5月说：“风能数据的质量非常好。”然而，用于测量的阿拉丁紫外激光器发出的高能脉冲变得越来越暗。

近日，欧空局将开启一台备用激光器，预计将花费3至4周时间进行调试。”风神号的任务经理Tommaso Parrinello在一封电子邮件中告诉Spectrum，“第一批数据只能由专家用户获得，应该在7月底之前提供。”欧空局预计还需要一个月的时间来确认继续研究天气和气候的数据质量。

天气和气候趋势取决于风速，因此准确测量整个大气中的风速对天气预报和气候研究至关重要。我们可以通过观察风驱动云的运动和风吹海洋表面的湍流来间接估算风速。然而，最精确的速度测量是将探头直接插入移动的空气中。气象气球是最常见的探测器，由地面和飞机安装的仪器补充，但这些探测器的数量是有限的。

向空中发射激光脉冲是另一种测量风速的方法。把激光放在卫星上可以让它的脉冲探测全世界的大气。空气分子将一些激光直接散射回激光器，在这个过程中，波长稍微移动一点，移动量取决于分子的速度。安装在卫星上的传感器可以检测激光输出和反射光之间的差异，从而测量空气速度。这种激光被称为激光雷达或激光雷达，最著名的是它的短程应用于警察测速和自动驾驶汽车。

激光雷达以前曾在太空飞行过，但主要是用来测量离地面的距离。一个著名的例子是火星轨道器激光高度计，它从火星全球勘测员那里绘制了这颗红色行星的地图。这很有效，因为坚硬的表面能反射大部分激光能量。另一方面，空气只反射激光的一小部分，使其更难测量风速。然而，空气在较短的波长下散射更多的光，所以激光雷达的返回可以通过使用在较短的紫外线波长下发射高能脉冲来增加。

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.

欧空局定制了一种高功率激光器，他们称之为Aladin，工作非常稳定，在精确的波段每秒发射50个脉冲进行测量。激光工作得很好，但是当他们在2005年在真空中测试光学系统时，他们发现强烈的紫外线脉冲破坏了光学表面易碎的涂层，模糊了光学系统。修复这一问题花了十多年时间，并在去年推出风神号时将总成本提高到5.6亿美元。

激光一到达轨道就发射了65毫焦耳的紫外线，但在最初的9个月里，这种能量下降了20%到30%，Aschbacher说，5月份它每周会损失1毫焦耳。Parrinello说，这是比早期的高能紫外线激光器在太空中取得的巨大进步，后者在几个小时内就失效了。欧洲中期天气预报中心发现，所得数据足以提高天气预报质量。然而，在功率下降的速度下，风神号将无法收集三年来寻求研究的数据。

对卫星性能的分析发现，损失源于激光的多个问题，而不是早期光学困难的重现。激光束似乎偏离了目标区域，降低了输出功率。半导体二极管激光器把输入的电能转换成紫外光，似乎在变暗。

幸运的是，欧空局的设计包括一个冗余激光器，作为原始激光器的备份。备用激光器的设计基本上与衰落激光器相同，但没有使用备用激光器，地面试验表明其脉冲能量可以更容易地调整。Parrinello说，备用激光的额外裕度应该足以让Aeolus收集所需的三年数据，但他警告说，大功率激光任务“离失败只有一步之遥”。卫星寿命也受到稳定其球体所需的有限燃料的限制。影响范围在320公里处，海拔很低，每周都需要提升。

风神号的研究结果已经引起人们对一颗用于气象观测的后续运行卫星的兴趣，Parrinello说，欧空局已经与欧洲气象卫星利用组织交换了意向书。