Спутник для исследования верхних слоев атмосферы ( UARS ) был орбитальной обсерваторией, управляемой NASA, чьей миссией было изучение атмосферы Земли , в частности защитного озонового слоя . Спутник весом 5900 кг (13 000 фунтов) был запущен с космического челнока Discovery во время миссии STS-48 15 сентября 1991 года. Он вышел на околоземную орбиту на рабочей высоте 600 километров (370 миль) с наклонением орбиты 57 градусов.
Первоначальная продолжительность миссии должна была составлять всего три года, но ее продлевали несколько раз. Когда миссия наконец завершилась в июне 2005 года из-за сокращения финансирования, спустя 14 лет после запуска спутника, шесть из десяти его приборов все еще работали. [2] В начале декабря 2005 года был выполнен последний запуск двигателя для снижения орбиты, чтобы подготовить спутник к сходу с орбиты. 26 октября 2010 года Международная космическая станция выполнила маневр уклонения от мусора в ответ на соединение с UARS. [3]
Выведенный из эксплуатации спутник вновь вошел в атмосферу Земли 24 сентября 2011 года. Значительное внимание СМИ было приковано к этому событию, в основном из-за прогнозов НАСА о том, что существенные части спутника могут достичь земли, потенциально подвергая опасности населенные районы. Однако в конечном итоге спутник упал в отдаленном районе Тихого океана . [4]
CLAES был спектрометром , который определял концентрации и распределение соединений азота и хлора , озона , водяного пара и метана . Эта платформа создала первые глобальные карты хлорированных соединений, разрушающих озоновый слой. [5] Это было сделано путем определения количества газов в атмосфере путем измерения уникальной инфракрасной сигнатуры каждого газа. [6]
Чтобы отличить относительно слабую сигнатуру газовых примесей от фонового излучения в атмосфере, CLAES должен был обладать высоким разрешением и чувствительностью. Для достижения этого прибор объединил телескоп с инфракрасным спектрометром. Весь прибор был криогенно охлажден, чтобы тепло от прибора не влияло на показания. Криогенная система состояла из внутреннего бака с твердым неоном при температуре -257 °C (-430 °F) и внешнего бака с твердым диоксидом углерода при температуре -150 °C (-238 °F). По мере испарения неона и диоксида углерода они поддерживали прибор в холодном состоянии в течение запланированных 19 месяцев. [6] Последние криогены испарились из прибора 5 мая 1993 года, и прибор нагрелся, завершив свой срок службы.
Инструмент смотрел вбок от платформы UARS, что позволяло ему заглядывать сквозь стратосферу и нижнюю мезосферу . CLAES создал 19-месячную глобальную базу данных, показывающую вертикальное распределение важных газов озонового слоя в стратосфере и их изменение в зависимости от времени суток, сезона, широты и долготы.
ISAMS — это инфракрасный радиометр для измерения теплового излучения от лимба Земли (линия горизонта, видимая с UARS) по обе стороны космического корабля. Он использовал метод модуляции давления для получения высокого спектрального разрешения и инновационные охладители с циклом Стирлинга для достижения высокой чувствительности детектора. ISAMS использует 7 газовых ячеек для 6 различных газов: CO2 ( умноженное на 2), CO, CH4 , N2O , NO2 и H2O . Ячейки CO2 также позволяют измерять озон (O3 ) , азотную кислоту (HNO3 ) и пентоксид диазота (N2O5 ) [ 7 ]
Конкретными целями ISAMS были: (i) Получение измерений температуры атмосферы как функции давления, от тропопаузы до мезопаузы , с хорошей точностью и пространственным разрешением, и, следовательно, изучение структуры и динамики региона, (ii) Исследование распределения и изменчивости водяного пара в средней атмосфере, определение его роли в общей циркуляции атмосферы, а также его источников и стоков в средней атмосфере, (iii) Измерение глобального распределения оксидов азота и, следовательно, исследование их происхождения и их роли в каталитических циклах, которые контролируют количество озона в стратосферном озоновом слое. Он также провел обширные наблюдения за вулканическими аэрозолями и полярными стратосферными облаками в средней атмосфере. Инструмент работал с сентября 1991 года по июль 1992 года. [8]
MLS обнаружил естественное микроволновое тепловое излучение от лимба Земли, чтобы создать вертикальные профили атмосферных газов, температуры, давления и облачного льда. MLS смотрит на 90° от угла орбиты UARS. [9]
Тепловое излучение поступает в прибор через трехзеркальную антенную систему. Антенна механически сканирует в вертикальной плоскости через атмосферный лимб каждые 65,5 секунд. Сканирование охватывает диапазон высот от поверхности до 90 км (55 миль). При входе в прибор сигнал с антенны разделяется на три сигнала для обработки различными радиометрами. Радиометр 63 ГГц измеряет температуру и давление. Радиометр 183 ГГц измеряет водяной пар и озон. Радиометр 205 ГГц измеряет ClO , озон, диоксид серы , азотную кислоту и водяной пар. [9]
Еще в июне 2005 года радиометры 63 и 205 ГГц оставались работоспособными, но радиометр 183 ГГц вышел из строя после 19 месяцев эксплуатации.
HALOE использует солнечное затмение для измерения одновременных вертикальных профилей озона (O 3 ), хлористого водорода (HCl), фтористого водорода (HF), метана (CH 4 ), водяного пара (H 2 O), оксида азота (NO), диоксида азота (NO 2 ), температуры, аэрозольного затухания, состава аэрозоля и распределения размеров в зависимости от атмосферного давления на краю Земли. Измерения проводятся на восьми различных длинах волн инфракрасного излучения в поле зрения шириной 1,6 км (0,99 мили) края Земли. [10]
Вертикальное сканирование атмосферы было получено путем отслеживания солнца во время затмения. Сканирование будет измерять количество солнечной энергии, поглощаемой газами в атмосфере.
Для поддержки сканирования инструмент состоял из двух частей: оптического блока на двухосевом карданном подвесе и фиксированного электронного блока. Оптический блок содержит телескоп, собирающий солнечную энергию, а также газовые детекторы. Электронный блок обрабатывает данные, управляет двигателем и питает инструмент.
HRDI наблюдал линии излучения и поглощения молекулярного кислорода над краем Земли, использовал доплеровское смещение линий для определения горизонтальных ветров и использовал формы и интенсивности линий для получения информации о температуре и составе атмосферы. [11]
Прибор состоит из двух частей: телескопа и интерферометра , который состоит из оптической скамьи и вспомогательной электроники.
Телескоп использовал узкое поле зрения, чтобы предотвратить искажение результатов из-за изменения доплеровского сдвига в поле зрения. Входные данные от телескопа передаются на процессор через оптоволоконный кабель.
HRDI проводил научные операции с ноября 1991 года по апрель 2005 года. [11]
Инструмент WINDII измерял ветер, температуру и интенсивность излучения от свечения атмосферы и полярного сияния . Инструмент смотрел на лимб Земли с двух разных углов, 45 градусов и 135 градусов от угла движения космического корабля. Это позволяло инструменту считывать одни и те же области неба с двух углов в течение нескольких минут с предыдущего считывания. [12]
Инструмент состоит из интерферометра, который подает сигнал на ПЗС- камеру. Два телескопа (45 градусов и 135 градусов) имеют метровую отражательную трубку для уменьшения рассеянного света при дневном наблюдении. Вход от телескопов расположен рядом на ПЗС-матрице, поэтому оба вида отображаются одновременно.
SUSIM измерял ультрафиолетовое (УФ) излучение солнца. Наблюдения проводились как через вакуум, так и через затмения солнца атмосферой. Это позволило сравнить количество УФ-света, достигающего земли, и количество, поглощаемое верхними слоями атмосферы. [13]
Из-за энергии УФ-излучения деградация прибора является серьезной проблемой. Чтобы помочь решить эту проблему, прибор содержал два идентичных спектрометра. Один использовался почти непрерывно в течение дневной части орбиты UARS. Второй использовался нечасто для проверки чувствительности первого.
Эксперимент по сравнению солнечной и звездной радиации был разработан для измерения солнечной радиации. Прибор использовал новый подход к калибровке: вместо калибровки по внутренней эталонной лампе прибор регулярно проводил измерения ярких голубых звезд, которые теоретически имеют очень стабильную эмиссию в течение интервалов порядка срока службы космического корабля. Входная щель прибора могла быть настроена для солнечных или звездных режимов, чтобы приспособиться к огромной разнице в яркости целей. Помимо звезд, SOLSTICE также проводил случайные измерения целей, включая Луну и другие объекты в Солнечной системе.
Инструмент ACRIM2 на спутнике UARS измерял общую солнечную радиацию (TSI), общую солнечную лучистую энергию, достигающую Земли, продолжая базу данных по изменению климата, начатую в 1980 году экспериментом ACRIM1 в рамках миссии Solar Maximum (SMM). [14] Результаты эксперимента ACRIM1 обеспечили первые открытия внутренних изменений TSI и их связи с явлениями солнечной магнитной активности. [15] Эксперименты ACRIM подтвердили, что изменение TSI происходит практически в каждом временном масштабе от 2-минутного интервала наблюдения до десятилетий записи TSI на сегодняшний день. [16] Точное знание TSI и его изменения с течением времени имеет важное значение для понимания изменения климата. Недавние открытия показывают, что внутреннее изменение TSI сыграло гораздо большую роль (до 50%) в глобальном потеплении в индустриальную эпоху, чем ранее предсказывалось моделями глобальной циркуляции (GCM). [17] Глубокие социологические и экономические последствия понимания относительного вклада естественных и антропогенных воздействий в изменение климата делают необходимым, чтобы база данных TSI, критически важный компонент исследований изменения климата, была тщательно поддержана в обозримом будущем. Эксперимент UARS/ACRIM2 был важной частью предоставления долгосрочной базы данных TSI.
UARS был выведен из эксплуатации 14 декабря 2005 года. Последние импульсы снижения перигея снизили орбиту до 518 км x 381 км. За ними последовала пассивация систем спутника. [18]
26 октября 2010 года Международная космическая станция выполнила манёвр уклонения от космического мусора в ответ на взаимодействие с UARS. [3]
7 сентября 2011 года НАСА объявило о предстоящем неконтролируемом возвращении UARS и отметило, что существует небольшой потенциальный риск для общественности. [19] К 23 сентября 2011 года орбита UARS сократилась до 175 на 185 км (109 на 115 миль). Ожидалось, что 26 фрагментов мусора переживут возвращение и ударятся о поверхность, самый большой из которых имел предполагаемую массу 158,30 кг (348,99 фунта), возможно, достигнув поверхности со скоростью 44 метра в секунду (140 футов/с) (98 миль/ч; 160 км/ч). [20] Ожидалось, что более мелкие фрагменты ударятся о поверхность со скоростью до 107 метров в секунду (350 футов/с) (240 миль/ч; 390 км/ч). [21]
В 07:46 UTC 24 сентября 2011 года НАСА опубликовало обновленное заявление на веб-сайте UARS, в котором говорилось, что: «Центр совместных космических операций на авиабазе Ванденберг в Калифорнии сообщил, что спутник проник в атмосферу над Тихим океаном». Точное время и место входа в атмосферу изначально не были указаны. [22] [23] Николас Джонсон, главный специалист по орбитальному мусору в Космическом центре имени Джонсона НАСА , заявил, что «Мы не знаем, где может находиться поле мусора... Мы можем никогда этого не узнать». [24] Однако Центр совместных космических операций позже объявил, что вход в атмосферу произошел в 04:00 UTC 24 сентября в точке с координатами 14°06′S 170°06′W / 14.1°S 170.1°W / -14.1; -170.1 , как раз по направлению к Американскому Самоа . По данным НАСА, поле обломков спутника будет простираться на расстоянии от 300 до 800 миль (от 480 до 1300 км) по дальности , в основном к северо-востоку от этой позиции. [4]
