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NASA发射CIRiS微型卫星:从太空遥望地球,感知地球温度

网络 2020-04-08

据麦姆斯咨询报道,由美国国家航空航天局(NASA)资助的微型卫星,也是Space X龙飞船所携带的众多“乘客”之一,于12月5日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地成功发射至国际空间站。该卫星的任务是验证可改变对地球和月球测量方式的新技术。

这颗只有背包大小的立方卫星(CubeSat)上载有紧凑型太空红外辐射仪,又名CIRiS。它将是第一颗通过收集、处理和校准地球的红外图像来揭示地球温度变化的微型卫星。波尔航天公司(Ball Aerospace)的CIRiS首席研究员David Osterman说:“如果我们实现了这一点,那么意味着我们可以极大地提高这些数据在地球科学研究以及土地和水资源管理方面的价值。”

2019年12月5日,Space X猎鹰9号火箭携带龙飞船在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的40号航天发射场发射升空。这是Space X为美国宇航局(NASA)给国际空间站第19次商业再补给服务任务(CRS-19)。此次任务龙飞船将向轨道空间站及其宇航员运送超过5700磅的科学和研究材料、实验硬件和宇航员补给物资。

农民可以利用CIRiS的数据来判断橘子树林是否需要浇水了,或者葡萄园的土壤是否太湿了。事实上,农业、水利灌溉或其它水资源的管理人员已经开始使用Landsat 8卫星上的大型热红外传感器(TIRS)数据进行耗水量的遥感监测,该卫星由美国地质调查局(USGS)和NASA共同运营。

CIRiS旨在尽可能地缩小尺寸和降低成本的情况下,提高图像采集的频率,为未来NASA诸如Landsat系列卫星的地球观测任务增添新的功能。Osterman说:“我们希望在所有方面都达到高性能,同时维持小尺寸。”

在CIRiS还未离开地球之前,NASA就为其兄弟卫星L-CIRiS(“L”表示月球)出资,后者将准备送往月球并使用类似的仪器探测月球上的矿物。L-CIRiS也将由Ball Aerospace制造,并选为NASA Artemis月球计划的一部分,该计划将帮助NASA在2024年将宇航员送往月球,为将首批人类送往火星做准备。

用于观测地球的CIRiS当前已抵达空间站。它会在这里待上几周,然后转移至天鹅座(Cygnus)货运飞船上,被带到距离空间站100公里的高处开始运行。

小卫星,大数据

包括CubeSats在内的微型卫星,正在NASA的太空探索、技术验证、科学研究、教育调研等领域发挥着日益重大的作用。迄今为止的任务包括行星空间探索、地球观测、基础地球与空间科学。CubeSats还用于开发先驱空间技术,例如尖端的激光通信、卫星间通信和卫星自主移动能力。

CIRiS微型卫星实现了大量元件的微型化,并且去除了其它传统用来收集长波(红外光谱)图像的仪器,它可以远程测量地球的表面温度。这些测量图像在“热像图”显示屏上通过颜色区分热区和冷区。

CIRiS收集完这些图像后,在轨道上对其进行校准,这意味着它将为每个像素分配已验证的数值。Osterman说:“这些经过校准后的数据,可以帮助您用于进一步的科学研究,并为实际科学做出贡献。”您不仅可以了解一片土地的温度是否比周围环境的高,还可以知道具体高了多少。

例如,红外测量可以帮助科学家更好地了解水分蒸发的损失总量,即从土壤蒸发的水量加上植物叶片蒸腾或呼吸时释放的水量。蒸发有助于植物降温,因此温度是植物用水的关键指标。知道植物的蒸发水平对农作物种植者很有用,因为他们可以确定哪些植物需要更多的水。

CIRiS的任务目标就是验证和演示这项新技术。如果成功的话,下一步的任务可能是增加收集光谱中可见光部分的图像,用以确认植物的颜色和叶片面积。可见光可以显示出植物接受了多少阳光以及它们的健康程度。

数据的应用

例如,收集可见光和红外波段的图像将对葡萄种植业有所帮助。用于酿酒的葡萄需要特殊的生长条件。“种植者通常希望能够在葡萄生长的某些阶段对植物进行干预,以控制葡萄的生长,从而影响葡萄的糖含量以及其它品质,”美国农业部在贝尔茨维尔的农业研究服务中心的科学家Bill Kustas解释道。

Bill Kustas和同事Martha Anderson正负责一项由NASA资助的名为GRAPEX的项目,该项目与葡萄酒厂E&J Gallo合作,目标是将热遥感信息整合到葡萄园的灌溉决策设备中。Anderso说:“如何灌溉酿酒葡萄以达到种植者想要的目标是一个巨大的挑战。”

在更广泛的应用中,整个加利福尼亚州的农作物种植者都需要知道其用水情况,以确认是否符合加利福尼亚州的《可持续地下水管理法》(SGMA),此法案旨在帮助该州更有效地利用和保护可用的地下淡水资源。Anderson说:“种植者认为遥感蒸发信息对于遵守SGMA非常有价值,因为他们可以使用遥感数据来估算他们使用了多少水,而不是通过灌溉记录提取这些信息。”

技术验证

CIRiS收集红外能量并利用“焦平面探测器”将其转换为电信号,原理类似于数码相机将可见光能量转换为电信号。Osterman说,许多用于红外检测的焦平面探测器需要在低温下运行,因此要保证低温必须使用低温冷却器。研究小组决定使用另一类非制冷型红外焦平面探测器,由于其不需要冷却器可以大大缩小传感器的尺寸。

尽管CIRiS焦平面探测器的灵敏度不如更大的带有冷却器的产品,但它有望通过强大的数据处理能力来弥补这些不足。Osterman说:“我们正在尝试用软件性能改善硬件性能。”可以在航天器上先启动软件运行或数据采集,然后将数据下载到地面再继续更多的数据处理。

将CIRiS收集的数据与NASA目前在太空中的其它热传感器的图像进行比较,例如,空间站上安装的生态系统空间热辐射计实验设备(ECOTRESS)。Anderson认为,从共性而言,像CIRiS和ECOSTRESS之类的NASA研究设备,都有助于确认最佳的传感器特性,并用于长期的监测项目。

如果这颗CubeSat卫星在太空中成功运行,Osterman希望会有一群类似于CIRiS的绕地球飞行的卫星。这些在轨道上的CubeSats卫星能够帮助我们监测每天的蒸发量和其他现象的变化。

Osterman说:“看到这些微型仪器和航天器能够帮助我们更好地理解地球和月球,真是令人兴奋。”



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