美國國家航空暨太空總署（NASA）的兩顆新型微型衛星將在幾個月後開始穿越地球大氣層，探測流失到太空中的熱量，它們將填補地球極地地區缺失的數據，從地球上最寒冷的地區進行的觀測將有助於預測在全球暖化的情況下，我們的冰川、海洋和天氣將發生怎樣的變化。

美國國家航空暨太空總署（NASA）即將執行的PREFIRE 任務將部署兩顆立方體衛星，利用經過火星測試的技術來提高氣候模型的準確性，從而研究地球兩極地區的熱量損失。資料來源：美國國家航空暨太空總署

PREFIRE：繪製極地熱輻射地圖的任務

這些立方體衛星（或稱立方體衛星）只有鞋盒大小，是一項名為”PREFIRE”的任務的組成部分。 “PREFIRE”是”遠紅外線極地輻射能量實驗“的簡稱。它們配備了在火星上得到驗證的技術，目的是首次揭示地球極地熱量損失的全部光譜，從而使氣候模型更加準確。

PREFIRE 由美國國家航空暨太空總署和威斯康辛大學麥迪遜分校共同開發，團隊成員來自密西根大學和科羅拉多大學。

了解地球的能量預算

這項任務始於地球的能量預算。在行星平衡過程中，地球從太陽接收的熱能最好與地球系統向太空輻射的熱能相抵消。傳入和傳出能量之間的差異決定了地球的溫度，並影響著我們的氣候。

地球努力維持大氣層頂層傳入和傳出能量總量之間的平衡。這就是所謂的地球能量預算或地球輻射預算。地球接收來自太陽的能量，也向太空發射能量。要使地球溫度長期保持穩定（能量預算保持平衡），輸入的能量和輸出的能量必須相等。如果輸入的能量大於輸出的能量，地球就會變暖。如果輸出的能量大於輸入的能量，地球就會變冷。資料來源：美國國家航空暨太空總署

極地地區在這過程中發揮關鍵作用，就像地球的散熱器翅片。透過天氣和洋流對空氣和水的攪動，熱帶地區接收到的熱能被轉移到極地，在那裡以熱紅外線輻射的形式散發出來–也就是你從石英管加熱器中感受到的那種能量。其中約60% 的能量以遠紅外線波長流向太空，而這種波長從未被系統地測量過。

“PREFIRE 可以縮小這一差距。”位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的科學家兼此次任務的副首席研究員布萊恩-德魯因（Brian Drouin）說：”我們有可能發現一些關於我們的星球如何運作的基本問題。”

他說：「在氣候預測中，許多不確定性來自於我們對南北極的不了解，以及輻射如何有效地發射到太空中。在太空時代的大部分時間裡，我們都沒有意識到輻射的重要性性，但現在我們知道了，並且正在努力測量它。”

PREFIRE 任務將把兩顆立方體衛星送入太空，研究地球從兩極吸收和釋放多少熱量。這些測量結果將為氣候和冰雪模型提供資訊。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

技術創新與挑戰

每顆衛星將於5 月從紐西蘭發射，發射時間相隔兩週，每顆衛星將攜帶一個熱紅外光譜儀。 JPL 設計的儀器包括特殊形狀的反射鏡和偵測器，用於分割和測量紅外線光。美國國家航空暨太空總署火星勘測軌道器上的火星氣候探測器也使用了類似的技術來探測紅色星球的大氣和天氣。

對PREFIRE 工程團隊來說，將儀器小型化以便安裝在立方體衛星上是一項挑戰。他們開發了一種縮小設計，針對我們地球上相對溫暖的環境進行了最佳化。這些儀器重量不到6 磅（3 公斤），使用一種稱為熱電偶的裝置進行讀數，類似於許多家用恆溫器中的感測器。

陽光從北冰洋楚科奇海（Chukchi Sea）的一片片冰上閃過。美國國家航空暨太空總署（NASA）前往地球極地的PREFIRE 任務將探索氣候暖化將如何影響海冰流失、冰原融化和海平面上升。圖片來源：NASA/Kathryn Hansen

氣候變遷的原點

為了最大限度地擴大覆蓋範圍，PREFIRE 雙胞胎將沿著不同的路徑環繞地球運行，並在兩極附近每隔幾小時重疊一次。

自20 世紀70 年代以來，北極暖化的速度至少是地球上其他地方的三倍。那裡的冬季海冰每年減少超過15900 平方英里（41200 平方公里），與1981-2010 年的平均值相比，每十年減少2.6%。地球的另一端也在改變：南極洲的冰蓋正在以平均每年約1500 億噸的速度減少質量。

這些變化影響深遠。海冰的波動影響著極地生態系統，並影響海洋的溫度和環流。格陵蘭島和南極洲一英里厚的冰原融水是1993 年以來全球平均海平面上升的三分之一原因。

威斯康辛大學麥迪遜分校教授、此次任務的首席研究員特里斯坦-勒埃奎耶說：”如果改變了極地地區，也就從根本上改變了全世界的天氣。極端風暴、洪水、海岸侵蝕- -所有這些事情都會受到北極和南極正在發生的事情的影響”。

為了了解和預測這種變化，科學家們使用了考慮到許多物理過程的氣候模型。多次運行模型（每次都在略有不同的條件和假設下運行）會得出一系列氣候預測結果。對不確定參數的假設，如兩極發出熱輻射的效率，會對預測產生重大影響。

加強氣候模型

PREFIRE 將提供一系列氣候變數的新數據，包括大氣溫度、地表特性、水汽和雲層。 L’Ecuyer 說，最終，更多的資訊將為我們提供更準確的變化中的世界：”隨著我們的氣候模型趨於一致，我們將開始真正了解北極和南極未來的情況。”

編譯來源：ScitechDaily