NASA小型航天器生成了首个883GHz全球冰云图

近日，NASA一颗面包大小的卫星生成了世界上第一张883GHz频段全球大气冰云分布图，883GHz是研究冰云及其对地球气候影响的太赫兹频段的重要频率。IceCube是2017年5月部署在国际空间站的小型航天器，它是由美国VDI（Virginia Diodes Inc.）公司根据美国航天局创新项目要求开发的商用883GHz辐射计。它能够测试在海拔3-9英里（5-15公里）之间的临界大气冰云特性。

NASA的科学家们率先使用太赫兹探测冰云，太赫兹频段位于电磁波光谱的微波和红外线之间。然而，在IceCube之前，这些仪器只在高空飞机上运行。这意味着科学家只能在高空飞机飞行的区域收集数据。

“有了IceCube，科学家们现在可以以商业价格在太空中使用太赫兹辐射计系统，”位于马里兰州带的NASA Goddard太空飞行中心的科学家兼IceCube首席研究员吴东（音译）说。“更重要的是，它提供了地球全球冰云分布图。”

NASA Goddard太空飞行中心的科学家兼IceCube首席研究员吴东（音译）

探测大气冰云需要广泛的频带，其中，高空太赫兹传感器尤为重要。这种波段填补了对流层中部和上部的一个重要频率空白，冰云通常太不透明，无法让红外和可见传感器穿透。它还揭示了其他微波波段无法清晰检测到的微小冰粒的数据。

IceCube的冰云图是这类分布图中的全球第一张，它预示着未来利用亚毫米波技术对全球冰云进行太空观测的广阔前景。吴东的团队利用NASA地球科学技术办公室(Esto)的“地球科学技术(InVEST)空间验证计划”和美国宇航局科学任务管理局的资金研发制造航天器。研究小组面临的挑战是确保太赫兹接收机足够灵敏，能够通过尽可能少的信号强度探测和测量大气云层。

最终，NASA希望将这种类型的接收机加入到美国宇航局计划的云雾生态系统(ACE)任务中的冰云成像辐射计中。根据美国家研究理事会建议，ACE将每天评估全球冰云的分布情况，这些冰云将影响到地球向空间发射红外能量及其对太阳能量在广大地区的反射和吸收。在IceCube之前，这个值是非常不确定的。

IceCube的仪器工程师Jared Lucey说：“这充分说明了我们的科学家正在进行科学研究，这项任务主要目标是为了证明技术的可行性。”他是戈达德和美国宇航局在弗吉尼亚的沃洛斯飞行设施中为数不多的几个科学家和工程师之一，他们在短短两年内就开发出了IceCube。“我们实现了我们的使命目标，现在其他一切都是额外的成果，”他说。

IceCube的任务系统设计者、Goddard的技术项目经理Jaime Esper说，除了演示从太空中观测到的太赫兹信号之外，团队还获得了关于如何有效地开发卫星任务、确定哪些系统是冗余的以及哪些测试需要放弃，因为我们的资金是有限的，时间是较短的，这些对我们来说也是至关重要的。

“这可不是一件容易的事，”IceCube的仪器系统负责人NegarEhsan说。“这是一个低预算项目”，要求团队在相对较短的时间内开发一个工程测试单元和一个航空样机。尽管面临这些挑战，VDI还是按时地交付了883GHz的太赫兹辐射计。她说：“我们第一次在展示了太空中的883GHz测试数据，并证明了VDI提供的系统工作正常。”

研究小组使用了现成的商用组件，包括vdi的辐射计。这些组件来自多个商业供应商，为达到最好的系统性能，每个组件均需要调试。研究小组不仅将辐射计集成到航天器上，还在Goddard和Wallops建造了航天器地面支持系统，并进行了热真空、振动和天线测试。

“IceCube并不完美，”吴东承认，他指的是辐射计数据中的噪声或轻微误差。“不过，我们可以得有用的测试数据。我们从IceCube这个卫星项目中学到了很多经验教训，下次工程师们可以更快地研发建造它”。

“这是NASA的另一种任务模式，”吴继续说。他说：“我们的主要目标是显示这项小任务是可以完成的。问题是，我们能不能利用一种低成本的卫星，在政府-商业合作关系下开发出先进的空间技术设备。我相信答案是肯定的“。

小型卫星在NASA的探索、技术演示、科学研究和教学中发挥着越来越大的作用，包括：行星空间探索；地球观测；地球基础和空间科学；以及先进的激光通信、卫星间通信和自主移动能力等前沿科学仪器。