Aura任务：二十年大气观测与研究的关键贡献者

20 世纪 90 年代和 21 世纪初，一个由工程师和科学家组成的国际团队设计了一个综合大气成分观测站——这是一项大胆的尝试，旨在提供前所未有的细节，这对于了解地球臭氧 (O3) 层和空气质量如何响应人类活动和自然现象引起的大气成分变化至关重要。这项工作解决了 NASA 的一个关键地球科学目标。该任务最初被称为地球观测系统 (EOS)-CHEM（后改名为Aura），将成为第三个 EOS 旗舰任务，加入 1999 年发射的 EOS-AM 1（Terra）和 2002 年发射的 EOS-PM 1（Aqua）。Aura 航天器（见图1）的设计与 Terra 相似，与 Aqua 相同。Aura 及其四台仪器于 2004 年 7 月 15 日从加利福尼亚州范登堡空军基地（现为太空军基地）发射

2014 年，《地球观察家》发表了一篇名为《Aura 庆祝在轨运行十周年》的文章 [2014 年 11 月至 12 月，26：6，第 4-18 页]，详细介绍了 Aura 的历史以及其数据所促成的头十年科学研究。因此，本文将重点介绍过去十年中 Aura 数据所促成的科学研究和应用。它还探讨了 Aura 的未来以及该航天器仪器的遗产。

高分辨率动态临边探测器(HIRDLS)的功能 在发射时受到影响，并于 2008 年 3 月因图像截断器失速而停止运行。尽管如此，HIRDLS 团队还是能够生成三年的数据集，其显著特点是垂直分辨率高于 1 公里（0.62 英里）的剖面图，用于对流层上部至中层的温度和 O 3。尽管有限，但 HIRDLS 数据集展示了该仪器在大气研究方面的巨大潜力。因此，科学家们现在正处于新仪器的研究阶段，这是拟议的平流层对流层响应红外垂直分辨光探测器(STRIVE) 任务的一部分，它将具有与 HIRDLS 类似的功能，并在光谱和空间成像方面有所进步。 （STRIVE 是目前正在进行为期一年的概念研究的四个任务之一，是美国宇航局地球系统探索者计划的一部分，该计划于2017 年地球科学十年调查中成立。将于 2025 年选出两个获胜提案，进行全面开发并于 2030 年或 2032 年发射。）

微波临边探测器

微波临边探测器(MLS) 的开发目的是研究：1) 平流层 O 3层的演变和恢复；2) 平流层（特别是平流层湿度）在气候反馈过程中的作用；3) 对流层上部的空气污染物行为。MLS 测量从约 10 公里（6.2 英里）高度的对流层上部到约 90 公里（56 英里）中层的 16 种痕量气体、温度、位势高度和云冰的垂直剖面。其独特的测量套件使其成为过去二十年来大多数数据驱动的中层大气成分研究的“首选”仪器。

过去十年的数据收集突显了平流层表现出令人惊讶和/或包络重新定义行为的能力（包络重新定义是指大大超出此前观测到的事件范围的事件）。MLS 观测对于发现和诊断这些极端事件至关重要。例如，2019 年 9 月，南极冰盖上空的平流层突然升温（这在南极很少见）抑制了化学处理，导致 O 3空洞异常弱。再举一个例子，随后 2019-2020 年南半球夏季，澳大利亚持续的炎热干燥天气引发了灾难性的“澳大利亚新年”（ANY）火灾。MLS 观测表明，火灾驱动的火积云对流将污染空气的羽流抬升到平流层，其程度是 Aura 任务期间从未见过的。

除了这些单独的羽流外，烟雾还弥漫在南部低层平流层，导致南部中纬度低层平流层成分出现前所未有的扰动，氯 (Cl) 从其主要储存物种盐酸 (HCl) 转变为破坏 O 3的形式次氯酸盐 (ClO)。氯物种的峰值异常出现在 2020 年中期——火灾发生数月后。在最先进的大气化学模型中，野火烟雾具有与硫酸盐 (SO 4 ) 气溶胶相似的特性，但无法重现观察到的化学重新分布。新模型模拟假设在典型的中纬度平流层条件下 HCl 比在 SO 4颗粒中更容易溶解在烟雾中，这与 MLS 观测结果更加吻合。

尽管这些事件非同寻常，但它们对平流层的影响却被 2022 年 1 月太平洋 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (Hunga) 火山喷发的影响所掩盖。Hunga 火山喷发将约 150 Tg 的水蒸气喷射到平流层——最初的喷射进入了中间层。这次火山喷发几乎瞬间使平流层的总水蒸气增加了约 10%。MLS 是唯一能够在火山喷发后的头几周内追踪羽流的传感器。Hunga 湿度的增强导致平流层出现包络重新定义的低温异常，进而引起平流层环流的变化。南部中纬度氯的重新分配也发生了，尽管程度不如 ANY 火灾之后，而且方式与已知的化学机制大致一致。自火山爆发以来的 2.5 年里，洪加水蒸气增强现象并没有大幅减弱，研究表明，这种现象可能还会持续几年。

还研究了洪加湿度对极地 O 3损失的影响。喷发的时间和位置使得羽流只有在 2022 年南极冬季涡旋形成后才到达南半球高纬度地区。由于涡旋边缘的强风构成了输送屏障，极地平流层云 (PSC) 的形成和 O 3空洞的演变基本不受影响。当涡旋在 2022 年南极冬季末期破裂时，潮湿的空气淹没了南极地区，增加了该地区的湿度。寒冷潮湿的条件导致 PSC 形成异常早且垂直范围广泛，并导致氯离子活化，但化学处理在 7 月中旬完成，这在南半球冬季通常会发生。累积的化学 O 3损失最终在整个平流层下部并不显眼。洪加羽流也基本被排除在 2022-2023 年北极涡旋之外。 2023-2024 年北极 O 3损失季节的特点是天气动态紊乱，且不会持续寒冷，春季 O 3接近或高于平均水平。到目前为止，洪加的异常平流层水化对两个半球极地涡旋中的化学处理和 O 3损失的影响微乎其微。

随着 Aura 和 MLS 的终结，平流层边缘探空观测的未来尚不明朗。虽然平流层 O3和气溶胶将继续通过 Suomi 国家极地轨道伙伴关系( Suomi NPP) 和联合极地卫星系统 (JPSS-2、-3 和 -4) 卫星上的臭氧测绘和剖面仪 (OMPS) 边缘仪 (OMPS-LP) 以近乎全球的方式进行每日测量，但目前尚无确认的每日近乎全球观测长寿命痕量气体或卤代物质的计划——这两者都是诊断 O3 变化所必需的。唯一其他可以进行此类测量的传感器是加拿大大气化学实验傅里叶变换光谱仪(ACE-FTS)，它本身比 MLS 更老，作为太阳掩星仪器，每天只能测量 30 个剖面，大约需要一个月的时间才能覆盖所有纬度。同样，在 2030 年代初加拿大高空气溶胶、水蒸气和云(HAWC) 任务发射之前，没有其他传感器能够提供每日近乎全球的平流层水蒸气测量数据 。NASA 和 ESA 都在考虑一些潜在的新任务概念，但它们之间存在竞争。即使两种仪器最终都被选中，MLS 测量的许多物种的记录中也不可避免地会出现空白。MLS PI 正在领导一项努力，以开发一种可以重新启动 MLS 测量的仪器，其质量/功率占用空间更小（例如，60 千克、90 瓦，而 Aura MLS 为 500 千克、500 瓦），并且已经存在用于更小的类似 MLS 的仪器的技术，这些仪器可以在未来几十年以低成本承担具有高度影响力的 MLS 记录的遗产。

臭氧监测仪

臭氧监测仪(OMI) 延续了总臭氧测绘光谱仪 (TOMS) 记录的总 O 3和与 O 3化学和气候相关的其他大气参数的功能。它采用推扫式高光谱成像来观察可见光和紫外线中的太阳后向散射辐射。

OMI 是荷兰和芬兰为 Aura 任务做出的贡献，其卓越的稳定性和革命性的二维 (2D) 探测器（一个维度是空间，另一个维度是光谱）已产生长达二十年的科学和趋势质量的大气柱观测数据集。OMI 延续了自 1979 年开始的 O 3总柱测量的长期记录，其对二氧化氮 (NO 2 )、二氧化硫 (SO 2 )、甲醛 (CH 2 O) 和吸收性气溶胶的观测为研究全球这些污染物的人为和自然趋势和变化提供了出色的空间分辨率。它的辐射和光谱稳定性使其成为太阳光谱辐照度测量的宝贵贡献者，可补充其他卫星上的专用太阳仪器。OMI 取得的诸多成就已记录在一篇评论文章中。

OMI 长达数十年的数据记录彻底改变了监测全球空气质量变化的能力，即使是在城郊层面。尤其是OMI 的 NO 2数据带来了变革性的变化。最近，这些数据被用于追踪与控制 SARS-CoV-2 传播相关的空气污染变化。OMI 长期稳定的数据记录使我们可以从历史角度看待 2020 年（全球封锁最严重时期）的污染水平变化，特别是在与气象变化相关的典型逐年变化范围内。许多研究评估了疫情封锁对空气污染的影响，支持将 OMI 数据用于社会经济相关研究的新用途。例如，OMI NO 2数据被证明可以作为评估封锁措施有效性的环境指标，也可以作为 COVID-19 传播减缓的重要预测指标。 OMI NO 2数据也被用作衡量疫情对经济影响的指标，因为 NO 2是在化石燃料燃烧过程中排放的，这是衡量经济活动的另一个指标，因为全球大多数经济体都是由化石燃料驱动的。

OMI 的数据集正在由后续的 2D 探测器阵列仪器继续提供，例如前面提到的哥白尼 Sentinel-5P TROPOMI 任务、韩国的地球静止环境监测光谱仪 ( GEMS) 和 NASA 的对流层排放：污染监测(TEMPO)。所有这些任务都提高了 OMI 的空间分辨率，但受益于 OMI 检索团队开创的创新检索算法。

对流层发射光谱仪

对流层发射光谱仪( TES) 提供了多种对流层成分的垂直解析分布，例如 O 3、甲烷 (CH 4 ) 和各种挥发性有机化合物。由于干涉仪控制系统电机编码器轴承出现故障，该仪器于 2018 年退役。尽管如此，TES 测量结果在过去 10 年中发表了许多有关大气成分变化的关键结果。

TES、OMI 和 MLS 的测量结果表明，东亚输送的 O 3及其前体抵消了美国西部 O 3预计下降量的 43% （基于 2005 年至 2010 年期间观测到的排放量减少）。TES大都市测量结果表明，高 O 3浓度天数在南亚大都市尤为明显，这些大都市通常缺乏地面污染监测网络。TES 水蒸气和半重水测量结果表明，在旱季向雨季过渡期间，亚马逊植被蒸发的水分成为大气中重要的水分来源。不断增加的水蒸气为下一个雨季的到来提供了所需的燃料。TES 测量的 CH 4和 Terra 上对流层污染测量(MOPITT)测量的一氧化碳 (CO) 结果表明，2004 年至 2014 年间，火灾产生的 CH 4排放量下降速度是燃烧面积变化预期速度的两倍。这一发现有助于平衡这一时期的 CH 4预算，因为它抵消了化石燃料和湿地排放量的大幅增加。通过直接测量 O 3温室气体效应，TES 瞬时辐射核揭示了水文控制对 O 3辐射强迫的影响，并用于显示政府间气候变化专门委员会(IPCC) 化学-气候模型中存在显著的辐射偏差。TES 团队率先检索了许多物种，例如过氧乙酰硝酸酯、羰基硫化物和乙烯。

TES 的精神通过 NASA 的对流层臭氧及其地球系统探测前体 (TROPESS) 项目得以延续，该项目通过通用检索算法和地面数据系统处理来自多颗卫星的数据，生成 O 3和其他大气成分的数据产品。TROPESS 建立在 TES 的成功基础之上，被认为是 TES 后续项目，允许开发 O 3和其他痕量气体物种的连续记录。

Aura 的未来

2023 年 4 月，Aura 的任务操作团队进行了最后一系列机动，以保持其在A-Train卫星群中的位置。从那时起，Aura 开始漂移。截至 2024 年 7 月，Aura 的高度从约 700 公里（435 英里）下降了约 5 公里（3 英里），其穿越赤道的时间从当地时间下午 1:44 开始增加了约 9 分钟。这个漂移量很小，Aura MLS 和 OMI 检索团队正在确保数据集的科学和趋势质量。

随着 Aura 继续漂移，到达其太阳能电池板的阳光量将逐渐减少，到 2026 年中期将不再能够产生足够的电力来操作航天器和仪器。此时，当地时间漂移量仍然相对较小 - 不到一小时 - 因此检索团队将能够在此之前确保大多数数据产品的质量。

在接下来的几年里，Aura 老化但非常稳定的仪器将继续为前所未有的二十年科学和趋势质量数据增添许多关键的对流层和平流层成分。Aura 数据对于监测 Hunga 火山羽流的演变以及了解其对平流层化学和动力学的持续影响至关重要。MLS 和 OMI 的观测结果还将用于评估新仪器和即将推出的仪器的数据（例如，ESA 的用于调查即将到来的平流层的大气边缘跟踪器 (Altius)；NASA 的 TEMPO、浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统(PACE) 以及总和光谱太阳辐照度传感器-2 (TSIS-2) 任务），或至少用于帮助最大限度地减少数据收集之间的差距。

Aura 的科学遗产

Aura 任务对大气研究和应用科学具有革命性意义。数十年来稳定的数据集进一步加深了对大气痕量气体化学和动力学的基于过程的理解，尤其是对理解地球保护性臭氧层趋势和变化的原因至关重要的那些。  

Aura 卫星运行的二十年间，经历了深刻的大气变化和无数的自然和人为偶然事件。Aura 仪器提供的数据让科学家和应用科学家能够以前所未有的视角（包括郊区规模）观察世界各地的空气污染，清楚地显示了快速工业化、旨在改善空气质量的环境法规、季节性农业焚烧、灾难性的野火，甚至全球流行病对我们呼吸的空气的影响。Aura 卫星的观测记录涵盖了破坏臭氧层的物质减少的时期， Aura 数据表明南极臭氧空洞开始恢复，这是前所未有的国际合作减少这些物质的结果。

Aura 的数据集为一代科学家提供了迄今为止最全面的全球视野，涵盖了地球大气中的关键气体以及影响其浓度的化学和动态过程。许多（但并非全部）数据集正在/将由后续仪器继续提供，这些后续仪器受益于 Aura 仪器设计中融入的新技术以及 Aura 检索团队开创的创新检索算法。