AIRS：执着空气观测15年

　　准确的天气预报能够挽救生命。2002年5月4日，NASA的大气红外探测器（AIRS）搭载阿卡卫星（Aqua satellite）发射，为人类提供了整个对流层内的绝佳三维云图、气温和水汽廓图，短短几年便显著提高了天气预报的准确性。
　　15年后的今天，AIRS依然是全球天气预报的利器，每天向预报中心传回70亿的实时观测数据。

　　准确的天气预报能够挽救生命。2002年5月4日，NASA的大气红外探测器（AIRS）搭载阿卡卫星（Aqua satellite）发射，为人类提供了整个对流层内的绝佳三维云图、气温和水汽廓图，短短几年便显著提高了天气预报的准确性。15年后的今天，AIRS依然是全球天气预报的利器，持续每天向预报中心传回70亿的实时观测数据。
　　除了提高预报的精确度，AIRS还能够绘制温室气体分布图，追踪火山喷发以及森林火灾排放的烟雾，测量氨等有毒化合物和预测干旱区域。
　　想知道南极上空的臭氧层在如何是修复吗？AIRS也在关注。

　　相较于以往的观测系统而言，AIRS具备的优势源于探测到大气中红外辐射的波段多得多，每天进行海量观测。在AIRS发射之前，探空气球是最重要天气观测仪器。此前的红外卫星仪器将不同的波段平均分配到大约24个宽“通道”进行观测。这就降低了卫星探测重要垂直结构的能力。传统的探空气球每天只能进行几千次探测来获取大气温度和水汽的垂直廓线，而且，几乎只能覆盖陆地。AIRS比此前的观测仪器观测到的波段多100倍以上，并且每天能产生大约三百万次的探空数据，并能覆盖全球85%的地区。
　　AIRS能够观测到卫星下方空气中2378个热辐射波段。“观测更多的波段有助于我们对垂向结构获取更精细的信息，从而描绘更清晰的大气结构。”来自位于加利福尼亚州帕萨迪那（Pasadena）的NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的AIRS项目科学家Eric Fetzer解释说。天气现象主要发生在7英里到12英里（11~19千米）高的对流层内。AIRS所观测到的大部分红外辐射也源自对流层。
　　AIRS很快便被公认为一项重大的技术革新。在其发射仅三年后，前美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）主任Conrad Lautenbacher表示AIRS给预报领域带来的巨大进步是同时代的任何单机无法企及的。”
　　起源
　　AIRS是NASA科学家Moustafa Chahine的发明。20世纪60年代，Chahine和他的同事萌生了利用高光谱仪器来改进天气预报的想法，该仪器能够将红外和可见光辐射分割成数以千计、波段各异的光谱。早在20世纪70年代，他试飞了一些实验样机，但满足能力需求的仪器的重量和体积都超出发射条件，，直到微型化技术的发展才将AIRS呈现在世人面前。Chahine于2011年去世，他是第一个AIRS科学组组长。
　　在JPL的指导下，坐落在新罕布什尔州纳舒厄县（Nashua）的BAE系统公司制造了AIRS。作为轨道列车（A-Train）卫星星座中的阿卡卫星上搭载的六个仪器之一，AIRS的计划工作寿命是5年，现如今已15年了依然运行完好，预计在2022年阿卡卫星年燃料耗尽之前都能正常工作。
　　全球预报中心进行的多组实验证实了AIRS对于天气预报的价值。特别是欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts，ECMWF），详细探究了不同的观测系统对于预报的影响。“研究表明，在许多情况下，AIRS能够减少至少10%的预报误差。这是卫星单机的最大的突破。” 现任AIRS科学组组长、JPL的Joao Teixeira如是说。
　　天气之外
　　科学家们一直都知道，AIRS的测量数据包含的信息远不止气象学家们进行天气预报所需，其探测到光谱波段包括电磁波波段，这对气候研究有重要意义。二氧化碳和大气中的其他痕量气体会在测量结果中留下印记。Chahine后来表示，“这些信息都蕴含在波谱中，我们只需要知道如何把这些信息提取出来。”
　　21世纪中后期，AIRS项目组开始应对这项挑战。2008年，在Chahine的领导下，他们发布了有史以来第一张全球对流层中层二氧化碳的卫星图。探测结果首次证实，人为排放的主要温室气体并非像科学家们预计的那样够均匀地混合在大气中，而是存在大约1%的差异（每百万分子的大气中仅有2-4分子的二氧化碳）。
　　自此，科学家们能够从AIRS 波谱中提取到越来越多的信息。AIRS团队现在也提供甲烷、一氧化碳、臭氧、二氧化硫以及灰尘的数据集，这些信息对于了解从太阳到达地球和从地球逃逸到太空中的辐射量具有重要意义。科研人员利用这些最新的数据集，以及原有的AIRS温度、云和水汽数据集进行了诸多研究。列举几项最近的发现：
　　2015的一项研究表明，AIRS提供的近地面相对湿度观测数据相比其他指标而言能够提前近两个月探测出干旱发生的信号。
　　2013年，科学家们利用AIRS的数据记录发现了全球大气重力波的18个热点——雷暴上升气流或者山脉地形等因素能够造成气流扰动，在大气中形成上下起伏的波浪，即重力波。这项新纪录提供了扰动规则地产生重力波的位置和时间信息，对于提高天气和气候预测具有重要价值。

　　全球变暖增加了大气中水汽含量，这些水汽又进一步加热大气。这种自馈过程叫做正反馈循环。气候学家长期以来推测，这种自馈能够使二氧化碳剧增，从而加剧全球变暖。AIRS的温湿度数据集首次为证实这一猜想提供了可能。
　　AIRS的遗产

　　由于成果瞩目，AIRS不再独一无二“可以预见，这项任务验证的测量手段，在不久的将来会在各种业务机构广泛应用。”AIRS项目负责人，来自JPL的Tom Pagano如是说。目前已有其他三个高光谱探测仪在轨：NASA/NOAA芬兰国家极轨道伙伴卫星（Suomi-NPP）搭载的CrIS红外探测器（Cross-track Infrared Sounder，CrIS），以及欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）的Metop-A、B卫星上搭载的两个红外大气探测干涉仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）。其他探测仪计划将于21世纪30年代发射。
　　这些高光谱仪器将共同形成几十年跨度的高精度大气测量记录。这将成为AIRS给人类留下的又一笔遗产：对现在和未来气候的深度解读。

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