國際空間站新使命

編譯 方宇寧

囯際空間站（ISS）是美國及其伙伴國家花費了超過1 000億美元建造的。宇航員在這個狹小空間里研究微重力生物學效應，空間站的外部安裝了一些天體物理實驗儀器。而在建立20年后，國際空間站又有了一項新的科學使命：俯視它的母星地球。

ISS現有5臺可用來觀測地球的儀器，2019年還將增加2臺，其中之一是美國宇航局（NASA）軌道碳天文臺3號（OCO-3），該觀測站于2019年4月30日從佛羅里達州卡納維拉爾角發射。它的發射標志著一場政治決策的勝利：特朗普總統曾多次提議取消OCO-3計劃，但每次都被國會否決。

國際空間站并不是OCO-3的理想平臺，它本是用在獨立運行衛星上的。事實上“這可能不是一個完美的平臺。”邁克爾·弗雷利奇（Michael Freilich）說道，12年來，弗雷利奇一直是NASA地球科學部的負責人，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的云層中靈活穿行。”最為重要的是，它在運行時可避開兩極，每天在不同時間里重新造訪各個觀測點。與發射衛星相比，在國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年作為獨立任務發射的OCO-2的1/4。

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

國際空間站上的日本科學實驗模塊（實驗艙）平臺上的地球觀測儀

大約就在這個時候，日本向國際空間站增加了一個實驗模塊，這個模塊是可供居住的突出平臺，可安置10個即插即用的儀器。弗雷利奇說，將觀測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數據，這似乎是一筆不錯的交易。“大家都能從中受益，宇航局的人類研究項目將展示空間站的效用。”弗雷利奇說。NASA的地球科學任務將有更多實驗項目。

OCO-3是2018年NASA在日本科學實驗模塊（實驗艙）上執行的第3個重要任務。2018年7月安裝的生態系統空間熱輻射檢測器（Ecostress）用來測量地球植物釋放的熱量，以評估熱浪和干旱的影響。全球生態系統動態研究（GEDI）于2018年12月啟動，使用激光探測樹冠和下層植被高度。2019年晚些時候，將在國際空間站日本實驗模塊上安裝第4個從太空觀測地球的儀器：探測土地利用和森林類型的日本高光譜成像儀。過去兩年里，安裝在國際空間站其他地方的地球觀測儀器還有測量閃電、入射陽光和臭氧的儀器。

像OCO-2一樣，OCO-3攜帶有光譜儀，可用來監測CO2吸收光的波長，提供從國際空間站到地球表面這條路徑上所有CO2分子的數量。根據不同地區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實驗室負責這個項目任務的科學家安瑪麗·埃爾德（Annmarie Eldering）說道，OCO-3團隊最初對登上國際空間站并不感到興奮，但他們漸漸看到了這個項目的優勢。觀測時間的不穩定對于OCO-3推斷數周或數月的趨勢是一個挑戰，但該儀器可探測到植物碳排放在一天的變化。“這非常有用。”埃爾德說，特別是將在GEDI和Ecostress的觀測數據結合起來的時候。

OCO-3在國際空間站上安裝時還需要一個可以變換角度的旋轉支架，以便它能直接看向地面。通過旋轉角度，它可以通過單次掃描繪制出大致相當于加州洛杉磯盆地大小的大片區域的碳排放圖。科羅拉多州立大學的大氣科學家克里斯多夫·奧戴爾（Christopher O'Dell）說道，這樣的區域地圖可以捕捉城市和工業的碳排放，通過OCO-3驗證CO2減排的承諾。“這是我們的目標，”奧戴爾說，“但我們不知道這是否能夠做到。”

國際空間站存在關鍵的限制：空間。3年后，日本模塊上的OCO-3可能會被取代，埃爾德說，美國宇航局和日本已在討論下一步的計劃。

然而，能夠以更低成本同時對地球進行多項測量任務的天基平臺的前景依然看好。噴氣推進實驗室工程師魯德拉納拉揚·穆克吉（Rudranarayan Mukherjee）正在開發一個名為“科學站”的概念：帶有桁架和機械臂的微型機器人空間站，它可以在低軌道上搭載十幾種地球觀測儀器。他說，空間站“已經顯示出在近地軌道擁有共享資源平臺的好處”。他說，NASA目前對這一概念還沒有具體打算。但他補充說，“人們很快將可以看到，我也非常期待”。