日欧联合开发的、旨在准确预测气候变化的观测卫星“白龙（EarthCARE）”发射成功。这颗卫星通过搭载的四种观测设备协同工作，分析大气中的云粒和微粒状况，以及云层的立体结构和形成机制。其中，日本开发了一种用于详细研究云层立体结构的雷达。作为全球首个能够捕捉云层颗粒和雨粒垂直方向速度的卫星雷达，该设备颇受期待。
“白龙”飞行示意图（供图：ESA、ATG媒体实验室）
“御水神兽”翱翔太空
“白龙”卫星在太空中展开太阳能电池板和天线后，全长17.2米，重2.3吨。它将在高度400公里的轨道上沿南北方向以90分钟一周的速度绕地飞行，用25天时间覆盖整个地球表面。设计寿命为3年。它搭乘美国SpaceX公司的大型火箭“猎鹰9”，于5月29日从加利福尼亚州的范登堡空军基地成功发射。欧洲航天局（ESA）在德国的管控设施中对其进行操作，观测数据将通过意大利的ESA设施和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提供给日本国内的研究人员。
EarthCARE的名字来源于英文单词“Earth”（地球）和“Cloud Aerosol and Radiation Explorer”即云、微粒子（气溶胶）和辐射探测器的首字母组合，意指“护卫地球的观测”。“白龙”是JAXA于4月发布的日文名称，因为卫星主体为白色，太阳能电池板看起来像细长的尾巴，所以被比作想象中的生物“白龙”。JAXA解释道：“龙被认为是掌管水的神兽，符合揭示大气机制的目的。‘白龙’能快速飞行，也符合高速环行的卫星形象。”
理解云的立体构造是课题
现在人类对气候变化的预测是通过计算机模拟进行的，但实则人类尚未完全理解相关现象，因此气候预测还存在较大的不确定性。其中最主要的原因是云和微粒的效应。云具有吸收地表散发的热量并将部分热量反射回地表从而让地球升温的效果，同时也有反射太阳光的效果。这种 “辐射收支”的能量平衡会直接影响大气的温度，同时还涉及云的厚度、高度、云粒大小、形状和水分含量等。此外，微粒子的存在对云的性质有较大影响，并影响云对太阳光的反射和吸收程度。
辐射收支概要图。太阳光和地表发出的热量平衡会影响大气温度，而云和微粒子对该平衡有很大影响（供图：ESA和ATG媒体实验室）
然而，过去很难高精度观测云粒和微粒，导致云内现象的机制未完全得到阐明。比如，气象卫星“向日葵”只能观测云的上端，而无法探测其内部的立体结构。此外，地面观测的方式也无法观测覆盖整个地球的云层。而“白龙”将尝试全球范围内观测云和微粒，特别是通过收集垂直方向的运动信息，来帮助解明云层对气候的影响。
政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2021～2022年发布的第六次评估报告中提出，多个预测方案显示，在假定温室气体排放较多的条件下，2081～2100年全球平均气温将比1850～1900年上升2.8～4.6摄氏度。此外，气温升高还将导致陆地降水量增加、北极海冰减少、海平面上升等。而这些预测结果中，气候模型间的误差可能成为精度的制约。
模拟计算和观测数据相结合
从影响气候变化的因素来看，二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）等温室气体的预测误差较小。相比之下，微粒以及微粒与云的相互作用由于其详细机制尚未解明，误差仍然较大。希望通过“白龙”卫星的观测能详细了解它们的作用机制，从而提高预测精度。
超级计算机“富岳”（供图：理化学研究所）
为了预测气候变化和气象，结合观测数据与利用超级计算机进行的数值模拟模型具有重要意义。东京大学大气海洋研究所“白龙”团队的佐藤正树教授（气象学与大气科学）表示：“日本的强项是利用（世界顶级的）超级计算机‘富岳’等进行数值模型分析。大家对这颗卫星寄予厚望，希望它能通过观测数据修正模型中的降雨和云层的情况。它将有助于监测和模拟如短时集中暴雨和台风等极端气候现象。”
此外，通过结合观测数据和数值模型，构建“地球数字孪生”，将来我们可以向生成式AI（人工智能）提出与气象和气候相关的问题，而AI也能够准确回答。
史上首次在卫星上进行“多普勒测量”
“白龙”在轨道上运行时将同时使用四种设备进行观测，最后会将数据结合起来生成观测成果。
其中，日本负责的设备是观测云分布和结构的“云剖面雷达（CPR：Cloud Profiling Radar）”，由JAXA和信息通信研究机构（NICT）联合进行技术开发，NEC设计制造。CPR发射电波，并接收从云中反射回来的电波，从而捕捉云粒的大小、水分量和云的立体结构。该设备在历史上首次利用“多普勒速度测量”测量云粒和雨粒的上升和下降速度，揭示云内部的动态。
在多普勒速度测量中，云粒和雨粒从以每秒7公里速度移动的卫星远离（即下降）时，反射回来的电波频率低于原始电波；相反，当它们接近卫星（即上升）时，频率更高。CPR精确捕捉这些变化，计算出云粒和雨粒的“多普勒速度”。特别是云中的上升气流与云粒生成有关，CPR将有助于人们理解云的生成过程。
之前的卫星雷达虽然也有类似功能，但缺乏多普勒速度测量功能，无法捕捉垂直方向的运动。
通过CPR进行多普勒速度测量。反弹回来（后向散射）的电波频率取决于云粒或雨粒是下落还是上升（供图：JAXA）
JAXA的项目经理富田英一表示，CPR的高灵敏度主要通过两项技术实现。一是将卫星轨道高度降低至400公里，靠近地表运行。二是开发了直径2.5米的大型天线。他表示：“在以每秒7公里速度飞行的卫星上测量每秒垂直方向仅2～8米的速度是非常困难的。天线的方向稍有偏差，卫星速度就会影响测量结果。”为此，研究人员开发了不易受热变形的天线，并且还开发了能高速重复发射脉冲的发射器，过程中会使用比普通降雨雷达波长短10倍的3.2毫米的电波。
日欧合作提高智慧
剩下的三台设备由欧洲开发。“大气激光雷达（ATLID）”观测CPR无法覆盖的小微粒和薄云。CPR等雷达使用电波的雷达不同，ATLID则使用激光光束。此外，还有搭载了用于观测云和微粒水平分布的“多光谱成像仪（MSI）”和捕捉大气上端辐射收支的“宽带辐射计（BBR）”。
ESA的项目经理迪尔克·伯纳特表示：“卫星进入轨道3个月后开始观测，半年后向全球科学团队提供所有数据。特别是日欧团队将获得非常高质量且有意义的数据，并进一步深化研究。”
“白龙”的开发费用，JAXA为83亿日元，包括CPR开发和地面系统建设费用，NICT未公开。ESA包括发射费用在内规模约8亿欧元（按当前汇率约1350亿日元）。这是日欧首次共同开发地球观测卫星。
“白龙”利用四种观测设备联合观测的示意图（供图：ESA和ATG媒体实验室）
能否“抓住云朵”？成果令人期待
CPR的开发始于2007年，原计划2013年发射，但多次推迟。富田回顾道：“日欧分别进行了具有挑战性的传感器开发。CPR需要从高速飞行的卫星上测量云的速度。此外，还为应对故障采取了冗余配置，准备第二个发射器时花费了时间。欧洲的激光雷达因大功率发射器开发难度大，耗时较长。”
将CPR安装到卫星上的作业（摄于2017年6月德国南部的腓特烈港，供图：空中客车公司）
卫星搭载的火箭也被多次更换。原计划卫星由欧洲阿丽亚娜空间公司使用俄罗斯开发的大型火箭“联盟号”从南美法属圭亚那发射，但由于2022年2月俄罗斯攻打乌克兰，导致该公司的“联盟号”发射被叫停。后更改为新型火箭“维加C”，但因其二号机发射失败，最终更换为其竞争对手的“猎鹰9号”火箭发射。全球火箭短缺的严重情况也影响到了该计划。
佐藤在发射前表示：“对我这个参与这个计划18年的人来说，这是一次期待已久的发射。虽然历时较长但因为数值模型得到了高度发展，所以发射时机很好，为此感慨良多。”
日语中有句惯用语“雲をつかむような話”，类似于中文的“拿云握雾”，通常意味着事情模糊难捉摸，但对“白龙”而言恰恰相反。人们期待通过精细的观测研究，能得到“抓住云朵”般生动的气候变化预测。
原文：草下健夫／JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
• JAXA「EarthCARE/CPR专题网站」
• ESA「earthcare, ESA's cloud and aerosol mission」（英文）
