在安裝到國際空間站後，由美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室設計和製造的兩個小型儀器於1月7日通電，並開始收集地球上的海洋風和大氣水蒸氣的數據–這是天氣和海洋預報所需的關鍵信息。在兩天內，緊湊型海洋風矢量輻射計（COWVR）和風暴和熱帶系統時間實驗（TEMPEST）儀器已經收集了足夠的數據，開始製作地圖。

COWVR和TEMPEST於2021年12月21日隨著SpaceX為NASA執行的第24次商業再補給任務發射。這兩個儀器都是微波輻射計，測量來自地球的自然微波輻射的變化。作為美國空軍空間測試計劃-休斯頓8（STP-H8）的一部分，這些儀器被設計用來證明它們可以收集與目前在軌運行的大型儀器質量相當的數據。

這張來自COWVR的新地圖顯示了來自地球的34千兆赫的微波發射通過空間站可見的所有緯度（北緯52度到南緯52度）。這個特殊的微波頻率為天氣預報員提供了關於海洋表面風的強度、雲層中的水量和大氣中的水汽量的信息。

地圖上的綠色和白色表示較高的水蒸氣和雲層，而海洋上空的深藍色表示較乾燥的空氣和晴空。該圖像捕捉到了典型的天氣模式，如熱帶的濕氣和雨水（綠色“帶子”延伸到地圖中心）和中緯度風暴在海洋上移動。

設計COWVR儀器的JPL技術專家Shannon Brown說：“我們有一個偉大的開始。在任務初期就看到這種質量的數據，為今後非常令人激動的事情奠定了基礎。”

COWVR是對一個經典儀器設計的完全重新思考，而TEMPEST則是儀器組件小型化的長期進展的產物。如果它們繼續被證明是成功的，它們將打開一個新時代的大門，讓低成本的衛星補充現有的氣象衛星隊。

儀器如何工作

輻射計需要一個可以旋轉的天線，這樣它們就可以觀察到地球表面的大範圍，而不僅僅是一條窄線。在所有其他的空間微波輻射計中，不僅是天線，而且輻射計本身和配套的電子裝置每分鐘旋轉約30次。有這麼多旋轉部件的設計有很好的科學和工程原因，但是當有這麼多移動的質量時，要保持航天器的穩定是一個挑戰。此外，事實證明，在儀器的旋轉和靜止兩端之間傳遞動力和數據的機制非常耗時且難以建造。

COWVR重約130磅（57.8公斤），其質量不到美國軍方用於測量海洋風的微波輻射計的五分之一。它的質量中只有不到三分之一可以旋轉。為了避免需要一個單獨的機制，將動力和數據從旋轉的部分轉移到穩定的部分，Brown將所有必須旋轉的部分安裝在一個轉盤上。

他和他的團隊通過增加所需數據處理的複雜性來實現其他設計創新–換句話說，為硬件挑戰找到軟件解決方案。例如，該團隊用一個產生已知偏振信號的噪聲源取代了儀器中被稱為”暖目標”的部分，用於校準輻射計的偏振測量。當校準完成後，這些已知的信號可以像數據傳輸中的任何其他噪聲一樣被移除。

COWVR的配套儀器，TEMPEST，是NASA數十年來在技術上投資的產物，以使太空中的電子設備更加緊湊。在2010年代中期，JPL的工程師Sharmila Padmanabhan思考了通過將一個緊湊的傳感器包裝在CubeSat中可以實現什麼樣的科學目標–CubeSat是一種非常小的衛星，通常用於廉價測試新的設計概念。“我們說，’嘿，如果我們能夠真正設法將一個傳感器緊湊地封裝在CubeSat內，我們就可以獲得對雲層、對流和降水的測量，’”Padmanabhan回憶說。這些測量將為研究人員提供更多關於風暴如何增長的信息。

Padmanabhan的設計從2018年到去年6月首次在太空中試運行。那顆被稱為TEMPEST-D（”D”代表”演示”）的立方體衛星測量了大氣中的水蒸氣，並拍攝了許多重大颶風和風暴的圖像。新部署的TEMPEST大約有一個大麥片盒那麼大，重量不到3磅（1.3公斤），天線直徑約6英寸（15厘米）。

天線的大小決定了TEMPEST只能最好地觀測對水蒸氣敏感的最短微波波長–是COWVR感應到的波長的1/10。較小的天線能更好地“匹配”短波長。COWVR和TEMPEST的綜合數據提供了與用於天氣觀測的大型微波輻射計所提供的大部分相同的測量。這些儀器是由美國空軍和海軍資助的，但來自其他機構、大學和軍事部門的用戶也對此感興趣。這些科學家已經在研究任務概念，利用新的低成本微波傳感器技術來研究長期存在的問題，如海洋的熱量如何助長全球天氣模式。