天气预报很快就会使用奇怪的、弯曲的GPS信号。

Satellites measure the health of planet Earth by bouncing signals off a patch of ocean, ice sheet, or rainforest and discerning digital vital signs upon their return. But a new cluster of satellites will harness the global positioning system to help predict weather patterns, long-term climate change, and even crippling interference from solar flares.

同样的GPS信号也可以用来预测飓风何时在热带水域形成。至少这是研究人员的希望,他们开发了一个由六颗小型卫星组成的舰队,计划于下周一从卡纳维拉尔角发射一枚太空猎鹰重型火箭。这次任务也是政府赞助和私人运营的气象数据采集系统之间正在进行的各种类型的竞赛的最新一轮,许多观察家希望这场竞赛能产生更好的预测,成本更低。

这项被称为气象学、电离层和气候(或宇宙2号)星座观测系统的任务利用了GPS无线电信号的一个奇怪特性:它们实际上在穿越大气层时会稍微弯曲和减速。这种弯曲不会影响地面导航的准确性;它只在轨道上其他物体的侧面可见。它有点像当你将一支铅笔浸入半满的玻璃杯中,图像在密度更大的液体中轻微折射(物理人们称之为snell&x27;s定律)。

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大气密度越大,GPS无线电波的弯曲度就越大。一旦科学家获得了有关密度的信息,他们就可以每隔一公里计算出大气湿度、压力和温度。获取这种有关大气层上下变化的粒度信息是使天气预报模型更准确的关键。

“这是一项非常优雅的技术,”科罗拉多博尔德大学大气研究公司宇宙计划主任比尔·施雷纳说,他是该任务的发起人之一,同时也是国家海洋和大气管理局、空军和台湾国家空间组织的成员。“这是一种精确测量大气的方法,而且也是可重复的。”

施雷纳将无线电掩星比作每天发射5000个额外的气象气球,这是六颗宇宙2号卫星能够收集到的更多测量数据。无线电掩星系统还将收集有关赤道海洋、飓风和台风的产卵地的更多信息,这些飓风和台风袭击了世界的海岸线。它的另一个优点是可以收集到船舶和气象站无法到达的地球偏远地区的大气状况信息。这颗宇宙2号卫星还携带了一个传感器,可以测量太阳粒子的移动速度,这一信息将帮助空间气象科学家知道一次大的太阳耀斑或喷发何时会发生。

与其他气象卫星相比,宇宙2号相对便宜,花费2.5亿美元,其中一半由台湾支付。“这是一个数量级的价格更低,”他说。相比之下,美国国家海洋和大气管理局的四颗GoS地球同步气象卫星,其中第一颗于2016年发射,耗资110亿美元,此后在太空中出现了一些小问题。

美国国家海洋和大气管理局环境建模中心的物理科学家达丽尔·克莱斯特说,新的宇宙2号卫星将用于校准GoS系统的测量值,并改进长期气候模型。来自宇宙卫星的数据也将有助于预报员更好地跟踪和预测大气大河的运动,而大气大河是驱动北美大部分天气的快速流动的空气。

克莱斯特在一次电话会议上说:“我们预计,由于宇宙2号任务的直接好处,我们将改进对这类事件的预测。”

随着下周的发射,无线电掩星基本上从试点项目转向成熟技术。2006年发射的第一套宇宙卫星帮助测试了它。除了最初的六颗卫星中的一颗外,所有卫星上的太阳能电池都已耗尽,不再产生测量结果。研究人员说,新的宇宙2号任务至少要持续五年。与此同时,不断上升的成本迫使美国国家海洋和大气管理局及其台湾合作伙伴取消了预定于2021年发射的一套环绕两极轨道的无线电掩星。相反,国家海洋和大气管理局正考虑从商业卫星公司购买更多的气象数据,其中一些数据是通过无线电掩星获得的。

然而,2017年的第一轮商业收购并没有那么顺利,NOAA和UCAR的科学家对所产生的数据的质量或数量不满意。据UCAR官员称,去年,NOAA官员挑选了两家公司进行第二轮测试,该机构仍在评估天气数据是否足以购买。它还没有被用于天气预报。

与他们的宇宙祖先相比,宇宙2号卫星更大(约3立方英尺,而2.5立方英寸)更重(618磅,而11磅)。它们的寿命更长(5年对2年),天线更大,可以收集更多有关地球大气层的信息。“宇宙2号”还携带着一个由美国宇航局喷气推进实验室设计的先进仪器,该仪器可以收集更接近地球表面的大气信息,这是一个高达6英里的层,称为对流层,那里存在着大多数云和水蒸气。与早期的气象卫星相比,收集更精确的测量数据以及观察不同级别大气状况的能力有了很大的改进。

当然,私人的立方体卫星建造和发射成本更低。目前,一些国家海洋和大气管理局官员似乎希望在建立联邦资助的无线电掩星网络的同时,将气象收集数据私有化。通常最终的决定者是NOAA的管理者,但是特朗普总统提名的私人天气预报公司AccuWeather的前首席执行官巴里·迈尔斯自2017年以来一直被参议院阻止。


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