在他们控制气象卫星的房间里

The headquarters of the European Meteorological Satellite Agency in Darmstadt, Germany (“city of science”!), was easy to spot: It is shaped like one of their early weather satellites, with a central cylinder and protruding wings.

在外面的花园里,他们的太空舰队的大型模型像婚礼上的鸡尾酒桌一样排列在灌木丛中。他们看起来很难看。不同于飞机,它们优美的线条和光滑的皮肤有助于它们在大气中滑行,它们有精致的突起和麻点的外观。一个看起来像是浸在黄金里的发动机,另一个看起来像是外壳被吹掉的洗衣机。

尽管如此,在那里见到他们还是很高兴。关于气象卫星的问题是它们在视线之外工作。我们在发射前看到它们,一半在建造中,在荧光灯下爆炸,由身着兔子套装的技术人员仔细观察。或者我们可以在艺术家的渲染中看到它们,这些太空船在轨道上快速移动的科幻图像。

改编自《天气机器:天气预报中的旅程》,作者:安德鲁·布鲁姆。在亚马逊上购买。

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但是我去了达姆施塔特以一种新的方式去看它们,那是在它们离地球最近的时刻。

“你知道,人们总是批评天气预报,”当我在他阳光明媚的办公室里见到尤米特卫星技术和科学支持主任伊夫·布勒时,他说。他是一位法国火箭科学家,穿得像这样:清脆的白衬衫,平展的衣领,胸前口袋里装满了尖尖的钢笔。但在全球范围内,它已经变得更加准确。而且它已经变得更加准确了,在中等范围内,所以一周,两周。为什么?因为卫星观测提供了对地球的统一覆盖。一个地区没有黑洞。”

今天的天气预报比以往任何时候都好,这要归功于在观测大气和使用这些观测进行精细的计算机模拟(“天气模型”)方面的不断进步,能够自信地提前5、6、7甚至8天预测未来的天空。

对于今天的天气预报来说,全球视野就是一切。智能手机应用程序、空中气象学家的电视演播室屏幕或航空公司的调度中心上显示的前景都源自超级计算机天气模型,这些模型是贪婪的数据消费者。最好的,大多数全球数据来自卫星。但并非所有的气象卫星都是平等的。

今天有两类气象卫星环绕地球飞行:地球静止轨道飞行器和极地轨道飞行器。地球静止轨道或地球静止轨道与地球自转的方向相同,使它们在天空中不动。它们不断地提供有关大气层某一区域的最新信息,并提供我们与气象卫星联系在一起的美丽图片。

极地轨道飞行器,或低地球轨道飞行器,被称为LEOS,低空快速飞行。他们从北到南、从南到北围绕着地球转,在每个轨道上飞越不同的地理位置,并在地球上切割出一个像用刀削成的橙色的图案。他们专门研究定量数据,吸收诸如温度和湿度之类的数字读数,并以百万计的速度将其输入超级计算机天气模型。当涉及到对预测有意义的影响时,尤其是未来几天,他们是冠军。

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安德鲁·布鲁姆也是《电子管:互联网中心之旅》的作者。

但是数字是很难看到的,所以地球同步卫星、地球同步卫星以及它们所产生的戏剧性图像往往会吸走所有的空气。

同样,并非每个国家的气象卫星都是相同的。这十年,美国的地球同步卫星计划正在进行价值110亿美元的改造,由洛克希德马丁公司负责。这笔钱支付了四颗卫星的寿命,其中前两颗卫星于2016年和2018年发射,但这一数字仍然令人震惊,尤其是当与每年徘徊在10亿美元左右的国家气象局的整个年度预算一起时。

更明显的是,美国气象卫星的飞行成本比他们支持的整个预报系统都要高。这项支出可以被看作是卫星对当今天气预报重要性的证明,但它也是该系统官僚主义复杂性的一个线索。

新的美国气象卫星很容易出现延误、事故和国会经费削减,导致人们经常为“卫星缺口”而绞尽脑汁。在“卫星缺口”中,旧的卫星在新的卫星就位之前就出现故障。在2018年,最新的Goes(Goes-17)在保持其主要仪器之一在阳光下冷却方面遇到了困难,使其在一天中的某些时间无法使用。这一问题97%是通过软件和操作的改变得到解决的,冷却系统正在重新设计,但这些问题很难被忽视。

复杂的系统有复杂的问题,但不一定要这样。虽然美国的系统在发展和运作上都陷入了官僚主义的复杂性,但欧洲气象卫星机构欧洲气象卫星组织(eumetsat)却保持其结构简单。它是一个由30个国家的气象部门资助和监督的独立组织。它的450名员工被安置在达姆施塔特的单一校园里,在单一的领导下运行。他们在轨道上有10颗工作的气象卫星,并计划再发射12颗。至关重要的是,他们的极地轨道飞行器所产生的数据对全球天气模型的重要性(在某些情况下甚至更多)超过了他们的美国同行。

对于一个渴望近距离观察气象卫星如何工作的记者来说,要想了解他们的运行情况,欧洲气象卫星组织是一个梦想。

在我们在他办公室谈话的中途,布勒走了过来,仔细研究了他手腕上的那块大表。他转身对着桌上的电话。“你知道什么时候传球吗?对。太好了。“那太完美了。”布勒带领我们穿过卫星形状的建筑,点击电子锁,沿着自然光照的楼梯间走去,说用法语、英语、德语和意大利语把地狱传给科学家和工程师。

在最后一组厚重的双开门后面,控制室是一个又宽又高的空间,像好莱坞的任务控制中心,任务椅、几十个屏幕和墙上高高挂着的大型滴答倒数计时钟。技术人员密切关注eumetsat附近控制室的leos和geos。每个房间都有自己的个性和节奏,就像被监视的卫星一样。地理控制室的技术人员一直在守夜;如果一切顺利,就不会发生太多事情。狮子座的人更活泼,他们的生活更切分。

梅托普-B型气象卫星位于近地轨道,其太阳电池板延伸。

每30分钟,他们中的一个狮子座就会“通过”:即卫星飞越北极时在每个轨道上的时间段,这段时间允许卫星与地面站进行无线电通信。当我和布勒走进来时,一位年轻的马尾式操作工程师尼科·费尔德曼跳了起来。“二十三分钟;梅托普-B;在斯瓦尔巴上空!“他汪汪叫着。我花了一点时间才意识到他在开玩笑,把斯波克演给布勒的柯克,假装我们在星际飞船企业号的舰桥上。但后来我意识到他只是半开玩笑。我们真的在那里遇见一艘宇宙飞船。

位于达姆施塔特的设施通过一个光纤连接控制着它的极地轨道飞行器,这个光纤连接贯穿整个欧洲,并在巴伦支海下到达斯瓦尔巴,斯瓦尔巴是北极圈上方的挪威岛屿。从那里,无线电连接是由一个直径33英尺的碟形天线构成的,由一个有小屋大小的蛋形圆顶遮蔽。为eumetsat提供的这道菜是31道菜中的一道,位于被称为plat_berget的高原上,靠近斯瓦尔巴全球种子库,该种子库储存着来自世界各地的种子,以防发生天启。

当布勒、费尔德曼和我在达姆施塔特的利奥控制室聊天时,斯瓦尔巴的天线像机器人手臂一样快速平稳地绕着主轴旋转,直到这个巨大的碗对准了地平线上Metop-B出现的地方,像阳光下的一点灰尘一样升起。

费尔德曼和他的同事们称这一时刻为“AOS”,这是太空飞行的缩写,意思是“获取信号”。METOP-B每天绕地球运行14次,从近北向南飞行,然后从南到北(以98度的角度或倾斜度),每次都将其仪器向下瞄准狭窄的大气层。极地轨道卫星,根据定义,飞越每一个轨道的极点;但是,随着地球在其下方旋转,它每次都以不同的经度穿过赤道。

环绕地球的每一个轨道需要102分钟,而这颗卫星只能在斯瓦尔巴地面站12到15分钟的时间内被观测到。我在这里的那一天,最短的通行证是在挪威的夜晚,大约是凌晨2点或3点,那时卫星将在地球的另一边走向日光。每次发射的主要任务是下载卫星环绕地球飞行时收集到的千兆字节的观测数据。

从技术上讲,这被称为“垃圾场”,有点像开车经过邻居家时,试图通过Wi-Fi下载电影。“你需要把数据取下来,你需要快速地把它取下来,”布勒说。为了减少卫星观测和数据分布之间的延迟,当卫星飞过南极洲的麦克默多研究站时,也有一个“半倾卸”。

每次通过都会带来戏剧和日常生活的混合。这就是为什么我对这个控制室感兴趣,而不是隔壁那个。地球同步卫星就是这样:静止的。它们似乎漂浮在我们的上方,懒散得像在它们的稳定中,保持着警惕的眼睛。当然,这是一种错觉;它们实际上以超过6700英里/小时的速度在太空中飞行,每天完成一次地球轨道,换句话说,与行星本身的速度相同。全球测地系统始终保持联系。但有了狮子座,每一次传球都会让人兴奋。如果卫星超出范围时出现任何问题,如果仪器出现故障或任何温度或电压参数超出限制,就会发出警报。费尔德曼对隔壁同事管理的地球静止轨道航天器进行了自己的分析。“地理很无聊,”他说。布勒更具外交手腕。他沉思着说:“当卫星在我们的网站上看不见的情况下飞行100分钟后发生的事情总是很有趣的。”

METOP-B从地球的另一边接近斯瓦尔巴,墙上的红色LED倒计时时钟显示了这一点。“与通行证相关的第一个活动通常是12分钟前,当我们与地面站建立连接时,”费尔德曼说。那一刻临近了。我们等着。机器发出啁啾声。“就是这样,”费尔德曼说。“现在我们有12分钟的时间向宇宙飞船发送命令。”

“而且要把数据记下来,”布勒补充道,手指向上。我们都看到监视器上的一列箱子变成绿色。“遥测技术看起来……“名义上,”布勒说,松了一口气,用太空术语“正常”。“遥测”是指卫星及其系统的基本健康状况,如温度和电压。对于卫星每次通过,Feldmann监测的两个关键值是“tm”和“tc”的持续时间,表示遥测,这意味着从卫星接收的健康数据;以及远程命令,表示能够发回命令。这些传输发生在相对较低的S波段频率上。

多汁的东西,也就是说“科学数据”,来自X波段,这是一个更高频率的微波波段。费尔德曼指向另一列绿色矩形。“如果这些是绿色的,就意味着科学数据正在下降。”我们看着数字一点一点地上升。费尔德曼列出了不同仪器的缩写,这些仪器测量温度、湿度、云量和水蒸气:ASCAT。国美电器。格拉斯。雅西。AMSU。布勒悄悄地和他一起说出他们的名字,就像拼字比赛中的爸爸一样。到目前为止,我们只有1.8吉格进入垃圾场。如果下载的数据是一部电影,那么它是未来一些实验性的电影制作人所能想象的:它由10000个红外和雷达探测通道组成,从太空穿过云层拍摄。传球还剩五分钟。

作为布勒,费尔德曼和我通过梅托普-B的例行程序的细节,我可以欣赏卫星作为一个繁忙的工作仪器,像任何地球气象站一样密切关注大气。它将图像塞进固态存储库,然后将它们轰击到表面。数据本身并不是一张快照,只是时间上的一次点击,更像是一个不合用的电影带,因为这架高空飞行的机器人穿越大气层,用鼻子像猎犬一样向下推着穿过太空。

在我有机会注意到之前,Metop-B已经完成了它的转储。“现在你看到科学数据已经被下载了,”费尔德曼用他最好的大卫阿滕伯勒声音说。“我们只剩下一分钟多一点时间来发送命令。”

但是我们没有什么可以告诉卫星的。一切都是绿色的,一切都是名义上的。在大楼的另一部分,欧洲气象卫星组织的计算机已经开始通过数据链将观测数据发送给世界,特别关注最热切的客户:气象模型的操作员,渴望最新的大气测量数据。它有一个令人愉快的对称性:卫星吸收了它对整个地球的观测,而欧米特卫星把它们送回了整个地球。

1960年春天,当第一颗气象卫星Tiros 1发射时,德怀特·艾森豪威尔总统做了一个看似简单的声明:“当你看到这个曲率时,地球看起来并不那么大。”让他和所有人感到惊讶的是,这个新的地球观图在多大程度上属于这个星球。极地轨道飞行器是当今天气预报中改变游戏规则的天文台;它们太小,肉眼看不见,但我现在对它们如何在上空盘旋有了新的认识。

对于它来说,Metop-B回到了挪威地平线以下,一个快乐的机器人,独自飞行,做它的事情。除了倒计时到下一次通过的时钟外,还有航天器的里程表:完成的轨道数。当天下午,Metop-B正处于其第10754次绕地球旋转的过程中,从2012年发射开始。不到一小时,它就会回到地平线上。它的节奏与我们的生活息息相关,与我们星球的旋转有关,而我们的时间就是由它决定的。

改编自安德鲁·布鲁姆的《气象机器》。版权所有©2019,作者:Andrew Blum。转载由ECCO,一个印在哈珀柯林斯出版社。


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