高層大氣研究衛星

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UARS。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600千米的運行軌道，其軌道傾角為57度。

基本介紹

• 中文名：高層大氣研究衛星
• 外文名：Upper Atmosphere Research Satellite
• 簡稱：UARS
• 時間：1991年9月15日

研發背景

美國國家航空和航天局(NASA)的高層大氣研究衛星(UARS)於1991年9月12日從發現號太空梭(STS-48)上發射。三天后該衛星進入585 km高度的軌道．與赤道成57°的傾角。高層大氣研究衛星(UARS)用於研究地球的平流層、中問層和對流層的物理和化學過程，採用低溫臨邊陣列基準光譜儀、平流層和中間層改進型探測器、微波臨邊探測器和鹵素掩星試驗這4台儀器測量大氣成分和溫度，高解析度都卜勒成像儀和風場成像干涉儀這2台儀器觀測大氣風．太陽和恆星輻照度比較實驗、太陽紫外光譜輻照度監測儀和粒子環境監測器這3台儀器測量來自太陽輻射和帶電粒子的能量。第10台儀器有源腔體輻射計可利用搭載在UARS上的機會繼續進行太陽常數測量。

高層大氣研究衛星(UARS)是NASA對行星地球計畫的第一顆主要衛星，該計畫是一個多年全球研究計畫，它利用地基的、空基的以及天基的儀器把地球作為一個完整的環境系統來進行研究。NASA的行星地球計畫是美國全球變化研究計畫(GCRP．Global Change Research Program)的一部分，這是由多個機構和組織組成的．以求更好地理解、分析和預測人類活動對地球環境的影響。

UARS數據可用來進一步了解為保護地球免受太窄環境影響的大氣混合物的特徵。UARS可提供第一份關於高層大氣化學、風和能量的完整的數據集。

UARS關注的焦點之一是，人類的技術進步正在改變全球性的平流層或高層大氣的臭氧損耗。平流層位於地球表面上大約9英里至30英里(1英里=1609 m)的高度。平流層含豐富的臭氧。一個臭氧分子由3個氧原子所組成，它可以阻擋導致皮膚癌和損害農作物的紫外輻射。

儘管某些自然原因也會導致平流層的臭氧損耗，例如火山爆發，但是在春季南半球南極上空形成的“臭氧空洞”以及過去十年間在北半球中緯度上空觀測到的臭氧損耗的5%都是由人類活動直接導致的。這些長期的臭氧損耗趨勢是由作為工業副產物排放人大氣的氯化合物所引起的，這些工業包括製冷和製作塑膠泡沫。

為了更透徹地研究臭氧損耗以更好地理解地球脆弱大氣的其他特徵，需要從衛星軌道上獲取全球總覽圖，利用最高端的儀器同時測量導致臭氧損耗的所有因素。為了達到這一科學目的，UARS科學計畫設計了一個組裝有9台儀器的衛星，這些儀器用來研究高層大氣的化學、動力學和能量系統。除了UARS儀器科學小組以外，另外有10個小組將根據UARS數據改進高層大氣的理論模型．從而提高預測大氣變化的影響的能力。

一個更廣泛的採用地基儀器、太空飛行器和熱氣球搭載儀器進行觀測的相關研究計畫正在籌備中。UARS計畫提供的解決行星地球計畫挑戰所需要的數據．能夠進一步了解和預測人類活動對環境的影響。

衛星儀器

化學研究

1.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，計畫中它們將能在19個月內保持儀器處於低溫冷卻狀。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。

2.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式測量值，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溶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。

3.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90千米之間的空間。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。

裝載入高層大氣研究衛星前的微波臨邊探測器

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。

4.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溶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

5.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。

6.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

7.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。

2010年6月16日拍攝的UARS閃光照片

8.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。

9.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

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變暖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。

性能參數

UARS衛星運行在傾角57°、高度585km的圓軌道上。衛星質量6526kg，其中有效載荷2700kg，衛星直徑4.6m，高10.7m。單邊太陽翼尺寸為1.5m×3.3m，總功率1.6kW。

衛星為三軸姿態穩定，姿態測量精度20°，姿態控制精度36°星上帶有2台450Mbit的磁帶記錄器。測控鏈路採用S頻段，並帶有數據中繼天線，以512kbit/s的數據傳輸速率通過“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）傳回地面。

UARS衛星的有效載荷如下。

1)“低溫臨邊陣列標準具光譜儀”：是一台固態氫致冷式光譜儀，用於測量大氣中氮和鹵族元素及臭氧、水蒸氣、甲烷和二氧化碳等氣體的分布。

2)“改進型平流層和中間層探測器”：是一台機械致冷式光譜儀，用來測量大氣發射。

3)“微波臨邊探測器”：足一台微波輻射計，在63GHz、183GHz和205GHz頓率上測量大氣熱發射。

4)“鹵素掩星實驗裝置”：是一台採用太陽掩星探測的輻射計．用於測量平流層中的臭氧、氯化氫、氟化氖、甲烷、水蒸氣、一氧化氮、二氧化氮等氣布，光譜範圍2．43～10．25um，大氣臨邊垂直方向解析度為1.6km，水平方向為6.2km。

5)“太陽-恆星輻照度比較實驗儀”：用來測量太陽和恆星輻照度的紫外光譜儀。

6)“太陽紫外光譜輻照度監測儀”：在紫外波段測量太陽光譜的輻照度。

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175千米至185千米之間。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。

在加拿大艾伯塔奧科托克斯發現相信是該衛星的碎片。