NASA的PREFIRE卫星即将升空 揭开地球最寒冷地区的秘密

美国国家航空航天局（NASA）的两颗新型微型卫星将在几个月后开始穿越地球大气层，探测流失到太空中的热量，它们将填补地球极地地区缺失的数据，从地球上最寒冷的地区进行的观测将有助于预测在全球变暖的情况下，我们的冰川、海洋和天气将发生怎样的变化。

美国国家航空航天局（NASA）即将执行的 PREFIRE 任务将部署两颗立方体卫星，利用经过火星测试的技术来提高气候模型的准确性，从而研究地球两极地区的热量损失。资料来源：美国国家航空航天局

PREFIRE：绘制极地热辐射地图的任务

这些立方体卫星（或称立方体卫星）只有鞋盒大小，是一项名为"PREFIRE"的任务的组成部分。"PREFIRE"是"远红外极地辐射能量实验"的简称。它们配备了在火星上得到验证的技术，目的是首次揭示地球极地热量损失的全部光谱，从而使气候模型更加准确。

PREFIRE 由美国国家航空航天局和威斯康星大学麦迪逊分校联合开发，团队成员来自密歇根大学和科罗拉多大学。

了解地球的能量预算

这项任务始于地球的能量预算。在行星平衡过程中，地球从太阳接收的热能最好与地球系统向太空辐射的热能相抵消。传入和传出能量之间的差异决定了地球的温度，并影响着我们的气候。

地球努力维持大气层顶层传入和传出能量总量之间的平衡。这就是所谓的地球能量预算或地球辐射预算。地球接收来自太阳的能量，也向太空发射能量。要使地球温度长期保持稳定（能量预算保持平衡），输入的能量和输出的能量必须相等。如果输入的能量大于输出的能量，地球就会变暖。如果输出的能量大于输入的能量，地球就会变冷。资料来源：美国国家航空航天局

极地地区在这一过程中发挥着关键作用，就像地球的散热器翅片。通过天气和洋流对空气和水的搅动，热带地区接收到的热能被转移到极地，在那里以热红外线辐射的形式散发出来--也就是你从石英管取暖器中感受到的那种能量。其中约 60% 的能量以远红外线波长流向太空，而这种波长从未被系统地测量过。

"PREFIRE 可以缩小这一差距。"位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的科学家兼此次任务的副首席研究员布莱恩-德鲁因（Brian Drouin）说："我们有可能发现一些关于我们的星球如何运作的基本问题。"

他说："在气候预测中，很多不确定性来自于我们对南北极的不了解，以及辐射如何有效地发射到太空中。在太空时代的大部分时间里，我们都没有意识到辐射的重要性，但现在我们知道了，并且正在努力测量它。"

PREFIRE 任务将把两颗立方体卫星送入太空，研究地球从两极地区吸收和释放多少热量。这些测量结果将为气候和冰雪模型提供信息。图片来源：NASA/JPL-Caltech

技术创新与挑战

每颗卫星将于 5 月从新西兰发射，发射时间相隔两周，每颗卫星将携带一个热红外光谱仪。JPL 设计的仪器包括特殊形状的反射镜和探测器，用于分割和测量红外光。美国国家航空航天局火星勘测轨道器上的火星气候探测仪也使用了类似的技术来探测红色星球的大气和天气。

对 PREFIRE 工程团队来说，将仪器小型化以便安装在立方体卫星上是一项挑战。他们开发了一种缩小设计，针对我们地球上相对温暖的环境进行了优化。这些仪器重量不到 6 磅（3 千克），使用一种叫做热电偶的装置进行读数，类似于许多家用恒温器中的传感器。

阳光从北冰洋楚科奇海（Chukchi Sea）的一片片冰上闪过。美国国家航空航天局（NASA）前往地球极地的 PREFIRE 任务将探索气候变暖将如何影响海冰流失、冰原融化和海平面上升。图片来源：NASA/Kathryn Hansen

气候变化的原点

为了最大限度地扩大覆盖范围，PREFIRE 双胞胎将沿着不同的路径环绕地球运行，在两极附近每隔几小时重叠一次。

自 20 世纪 70 年代以来，北极变暖的速度至少是地球上其他地方的三倍。那里的冬季海冰每年减少超过 15900 平方英里（41200 平方公里），与 1981-2010 年的平均值相比，每十年减少 2.6%。地球的另一端也在发生变化：南极洲的冰盖正在以平均每年约1500 亿吨的速度减少质量。

这些变化影响深远。海冰的波动影响着极地生态系统，并影响着海洋的温度和环流。格陵兰岛和南极洲一英里厚的冰原融水是 1993 年以来全球平均海平面上升的三分之一原因。

威斯康星大学麦迪逊分校教授、此次任务的首席研究员特里斯坦-勒埃奎耶说："如果改变了极地地区，也就从根本上改变了全世界的天气。极端风暴、洪水、海岸侵蚀--所有这些事情都会受到北极和南极正在发生的事情的影响"。

为了了解和预测这种变化，科学家们使用了考虑到许多物理过程的气候模型。多次运行模型（每次都在略有不同的条件和假设下运行）会得出一系列气候预测结果。对不确定参数的假设，如两极发出热辐射的效率，会对预测产生重大影响。

加强气候模型

PREFIRE 将提供一系列气候变量的新数据，包括大气温度、地表特性、水汽和云层。L'Ecuyer 说，最终，更多的信息将为我们提供更准确的变化中的世界："随着我们的气候模型趋于一致，我们将开始真正了解北极和南极未来的情况。"

编译来源：ScitechDaily