國(guó)際空間站新使命

編譯 方宇寧

囯際空間站（ISS）是美國(guó)及其伙伴國(guó)家花費(fèi)了超過1 000億美元建造的。宇航員在這個(gè)狹小空間里研究微重力生物學(xué)效應(yīng)，空間站的外部安裝了一些天體物理實(shí)驗(yàn)儀器。而在建立20年后，國(guó)際空間站又有了一項(xiàng)新的科學(xué)使命：俯視它的母星地球。

ISS現(xiàn)有5臺(tái)可用來觀測(cè)地球的儀器，2019年還將增加2臺(tái)，其中之一是美國(guó)宇航局（NASA）軌道碳天文臺(tái)3號(hào)（OCO-3），該觀測(cè)站于2019年4月30日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射。它的發(fā)射標(biāo)志著一場(chǎng)政治決策的勝利：特朗普總統(tǒng)曾多次提議取消OCO-3計(jì)劃，但每次都被國(guó)會(huì)否決。

國(guó)際空間站并不是OCO-3的理想平臺(tái)，它本是用在獨(dú)立運(yùn)行衛(wèi)星上的。事實(shí)上“這可能不是一個(gè)完美的平臺(tái)?！边~克爾·弗雷利奇（Michael Freilich）說道，12年來，弗雷利奇一直是NASA地球科學(xué)部的負(fù)責(zé)人，直到2019年2月退休，“它的體積很大，但可以在充滿各種污染物質(zhì)的云層中靈活穿行?！弊顬橹匾氖牵谶\(yùn)行時(shí)可避開兩極，每天在不同時(shí)間里重新造訪各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。與發(fā)射衛(wèi)星相比，在國(guó)際空間站上安裝儀器要便宜得多。OCO-3耗資1.1億美元，只有2014年作為獨(dú)立任務(wù)發(fā)射的OCO-2的1/4。

在經(jīng)歷了兩次重大發(fā)射失敗后，美國(guó)宇航局可用節(jié)省的資金完成更多地球科學(xué)任務(wù)。兩次發(fā)射失敗分別為：2009年墜入印度洋的OCO衛(wèi)星， 2011年用于追蹤大氣粒子的榮耀號(hào)（Glory）墜落。盡管弗雷利奇支持建造OCO-2，但其他幾顆計(jì)劃的衛(wèi)星成本增加一倍，導(dǎo)致一些較小任務(wù)的前景岌岌可危。

國(guó)際空間站上的日本科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（實(shí)驗(yàn)艙）平臺(tái)上的地球觀測(cè)儀

大約就在這個(gè)時(shí)候，日本向國(guó)際空間站增加了一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，這個(gè)模塊是可供居住的突出平臺(tái)，可安置10個(gè)即插即用的儀器。弗雷利奇說，將觀測(cè)地球的儀器安置在那里，NASA可用一小部分成本而獲得大量科學(xué)數(shù)據(jù)，這似乎是一筆不錯(cuò)的交易。“大家都能從中受益，宇航局的人類研究項(xiàng)目將展示空間站的效用?！备ダ桌嬲f。NASA的地球科學(xué)任務(wù)將有更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

OCO-3是2018年NASA在日本科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（實(shí)驗(yàn)艙）上執(zhí)行的第3個(gè)重要任務(wù)。2018年7月安裝的生態(tài)系統(tǒng)空間熱輻射檢測(cè)器（Ecostress）用來測(cè)量地球植物釋放的熱量，以評(píng)估熱浪和干旱的影響。全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究（GEDI）于2018年12月啟動(dòng)，使用激光探測(cè)樹冠和下層植被高度。2019年晚些時(shí)候，將在國(guó)際空間站日本實(shí)驗(yàn)?zāi)K上安裝第4個(gè)從太空觀測(cè)地球的儀器：探測(cè)土地利用和森林類型的日本高光譜成像儀。過去兩年里，安裝在國(guó)際空間站其他地方的地球觀測(cè)儀器還有測(cè)量閃電、入射陽(yáng)光和臭氧的儀器。

像OCO-2一樣，OCO-3攜帶有光譜儀，可用來監(jiān)測(cè)CO2吸收光的波長(zhǎng)，提供從國(guó)際空間站到地球表面這條路徑上所有CO2分子的數(shù)量。根據(jù)不同地區(qū)CO2濃度的變化，繪制出CO2排放源和植物吸碳的分布圖。

加州帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目任務(wù)的科學(xué)家安瑪麗·埃爾德（Annmarie Eldering）說道，OCO-3團(tuán)隊(duì)最初對(duì)登上國(guó)際空間站并不感到興奮，但他們漸漸看到了這個(gè)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)。觀測(cè)時(shí)間的不穩(wěn)定對(duì)于OCO-3推斷數(shù)周或數(shù)月的趨勢(shì)是一個(gè)挑戰(zhàn)，但該儀器可探測(cè)到植物碳排放在一天的變化?！斑@非常有用?！卑柕抡f，特別是將在GEDI和Ecostress的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來的時(shí)候。

OCO-3在國(guó)際空間站上安裝時(shí)還需要一個(gè)可以變換角度的旋轉(zhuǎn)支架，以便它能直接看向地面。通過旋轉(zhuǎn)角度，它可以通過單次掃描繪制出大致相當(dāng)于加州洛杉磯盆地大小的大片區(qū)域的碳排放圖?？屏_拉多州立大學(xué)的大氣科學(xué)家克里斯多夫·奧戴爾（Christopher O'Dell）說道，這樣的區(qū)域地圖可以捕捉城市和工業(yè)的碳排放，通過OCO-3驗(yàn)證CO2減排的承諾?！斑@是我們的目標(biāo)，”奧戴爾說，“但我們不知道這是否能夠做到?！?/p>

國(guó)際空間站存在關(guān)鍵的限制：空間。3年后，日本模塊上的OCO-3可能會(huì)被取代，埃爾德說，美國(guó)宇航局和日本已在討論下一步的計(jì)劃。

然而，能夠以更低成本同時(shí)對(duì)地球進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量任務(wù)的天基平臺(tái)的前景依然看好。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工程師魯?shù)吕{拉揚(yáng)·穆克吉（Rudranarayan Mukherjee）正在開發(fā)一個(gè)名為“科學(xué)站”的概念：帶有桁架和機(jī)械臂的微型機(jī)器人空間站，它可以在低軌道上搭載十幾種地球觀測(cè)儀器。他說，空間站“已經(jīng)顯示出在近地軌道擁有共享資源平臺(tái)的好處”。他說，NASA目前對(duì)這一概念還沒有具體打算。但他補(bǔ)充說，“人們很快將可以看到，我也非常期待”。