雲衛星（CloudSat）是美國國家航空暨太空總署（NASA）的飛行任務，曾窺探颶風、統計全球降雪率以及實現其他天氣和氣候的創舉。該太空船原本計劃執行為期22 個月的任務，但在對雲的垂直結構和冰/水含量進行了近18 年的觀測後，於最近退役。在近二十年的時間裡，它的強大雷達提供了前所未見的雲層細節，幫助推進了全球天氣和氣候預測。

藝術家的概念圖展示了美國國家航空暨太空總署（NASA）的CloudSat（CloudSat）太空船在地球上空的軌道上運作。它於2006 年發射升空，在2024 年3 月壽命結束退役之前，提供了首次全球雲特性調查。圖片來源：NASA/JPL

按照計劃，該航天器的壽命已經結束，無法再進行定期觀測，上個月被降入一個軌道，最終將在大氣層中解體。

2009年8月，美國國家航空暨太空總署（NASA）的CloudSat（CloudSat）經過美國東岸附近的颶風比爾（Bill）上空，捕捉了來自四級風暴眼的資料。這對影像顯示了從該機構的Aqua 衛星（上圖）看到的景象，以及CloudSat 雷達測量到的雲層垂直結構（下圖）。圖片來源：傑西-艾倫，美國太空總署地球觀測站

革命性的雷達技術

2006 年發射的雲層剖面雷達是第一個在太空中飛行的94 千兆赫波長（W 波段）雷達。這雷達的靈敏度是一般地面氣象雷達的一千倍，它為雲層提供了一種新的視角–不是螢幕上的平面圖像，而是佈滿冰和雨的大氣層的三維切片。

位於南加州的美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）的這次任務的首席研究員格雷姆-史蒂芬斯（Graeme Stephens）說，科學家們第一次可以同時觀測雲層和降水。他說：”沒有雲，人類就不會存在，因為雲提供了我們所知的生命所需的淡水。我們有時稱它們為聰明的小惡魔，因為它們具有令人困惑的特性。在預測氣候變化方面，雲一直是個謎。

在這段動畫中，雲圖衛星的雷達切片顯示，2017 年9 月，颶風瑪莉亞在大西洋上迅速增強。紅色和粉紅色顯示的高反射率區域延伸至9 英里（15 公里）以上的高度，顯示大量的水被吸入大氣層的高處。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/CIRA

長期以來，雲一直隱藏著許多秘密。在CloudSa出現之前，我們並不知道雲在全球產生雨雪的頻率。自從CloudSat發射以來，我們在了解雲如何冷卻和加熱大氣層和地表，以及雲如何導致飛機結冰方面也取得了長足進步。

CloudSat的數據為數以千計的研究出版物提供了信息，並將繼續幫助科學家們取得重要發現，包括全球雲層中含有多少冰和水，以及雲層是如何通過在大氣中捕獲熱量來加速格陵蘭島和兩極冰層的融化的。

多年來，CloudSat飛越了瑪麗亞、哈維和桑迪等強大的風暴系統，窺探了它們卷雲漩渦下的雲層。它的雲層剖面雷達擅長穿透雲層，幫助科學家探索熱帶氣旋如何以及為何加劇。

在CloudSat的整個壽命期間，出現了幾個可能會導致任務終結的問題，這些問題與太空船的電池和用於控制衛星方向的反作用輪有關。 CloudSat團隊制定了獨特的解決方案，包括在每個軌道的非日照部分對太空船進行”休眠”以節省電能，以及使用較少的反作用輪進行定向。他們的解決方案使得雲層剖面雷達能夠繼續運行，直到2023 年12 月永久關閉。

JPL的CloudSat專案經理Deborah Vane說：”身為NASA大家庭的一員，我們擁有敬業且優秀的團隊，他們能夠做到前所未有的事情。我們用從未有人使用過的技術從這些異常現像中恢復過來。

姊妹衛星CALIPSO

CloudSat於2006 年4 月28 日與一顆名為CALIPSO（Cloud -Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation 的縮寫）的雷射雷達搭載衛星同時發射。這兩個太空船加入了地球軌道上的天氣和氣候追蹤衛星國際星座。

雷達和光達被認為是”主動”感測器，因為它們向地球發射能量光束–CloudSat使用無線電波，CALIPSO 使用雷射–並測量光束如何反射雲層和大氣中的微粒（氣溶膠）。其他軌道科學儀器使用”被動式”感測器，測量反射的太陽光或地球或雲層發出的輻射。

CloudSat和CALIPSO的軌道相距不到一分鐘，在太陽同步軌道上從北極到南極環繞地球一周，每天在午後和午夜後穿越赤道。它們重疊的雷達-雷射雷達足跡穿過大氣層的垂直結構，研究薄雲和厚雲，以及可能影響雲形成的塵埃、海鹽、灰燼和煙塵等氣載顆粒層。

氣溶膠對雲的影響仍然是全球暖化預測的關鍵問題。為了探索這個問題和其他問題，最近發射的PACE 衛星和NASA地球系統觀測站的未來任務將在CloudSat 和CALIPSO 的基礎上再接再厲，為新一代的研究提供支援。

史蒂芬斯說：”2030 年的地球將不同於2000 年的地球。世界變了，氣候也變了。繼續進行這些測量將使我們對不斷變化的天氣模式有新的認識。”

團隊介紹

CloudSat計畫由JPL 為美國國家航空暨太空總署管理。 JPL 開發了雲層剖面雷達儀器，加拿大航太局提供了重要的硬體。科羅拉多州立大學提供科學數據處理和分發服務。科羅拉多州布魯姆菲爾德的BAE 系統公司設計並建造了太空船。美國太空部隊和美國能源部提供了資源。美國和國際大學及研究中心為任務科學團隊提供支援。位於加州帕薩迪納的加州理工學院為美國國家航空暨太空總署管理JPL。

CALIPSO 是美國國家航空暨太空總署（NASA）和法國國家太空研究中心（CNES）的一項聯合任務，於2023 年8 月結束。

編譯來源：ScitechDaily