美国宇航局的ORCA和AirHARP项目为PACE项目进入太空铺平了道路

2024年2月，“浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统”(PACE)任务仅用了13分钟就从卡纳维拉尔角空间站到达近地轨道。美国国家航空航天局和世界各地研究机构的科学家们花了20多年的时间精心制作和测试这些新型仪器，使PACE能够以前所未有的清晰度研究海洋和大气。

21世纪初，位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的一组科学家制作了用于碳评估的海洋辐射计(ORCA)仪器的原型，该仪器最终成为PACE的主要研究工具:海洋颜色仪器(OCI)。然后，在2010年代，马里兰大学巴尔的摩分校(UMBC)的一个团队与美国宇航局合作，制作了超角彩虹偏振仪(HARP)的原型，这是一个鞋盒大小的仪器，将收集大气气溶胶的开创性测量数据。

如果不是NASA通过其地球科学技术办公室(ESTO)的竞争性拨款，对地球观测新技术进行了早期投资，那么PACE的OCI和HARP2一个几乎与HARP原型完全相同的复制品都不会存在。在过去的25年里，ESTO已经开发了1100多种收集科学测量的新技术。

美国宇航局戈达德中心的海洋学家、PACE项目科学家杰里米·维尔德尔(Jeremy Werdell)说:“早期对技术开发的所有投资基本上使我们更容易把天文台建成今天的样子。”

查尔斯·“查克”·麦克莱恩(Charles“Chuck”McClain)曾领导ORCA研究团队，直到2013年退休。他说，NASA对技术开发的承诺是PACE成功的基石。“没有ESTO，这一切都不会发生。这是一条漫长而曲折的道路，才走到今天的地步。”

从左到右:格哈德·迈斯特、布莱恩·莫史密斯和查克·麦克莱恩于2015年在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心展示了用于碳评估的海洋辐射计(ORCA)原型，该原型导致了美国宇航局浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统(PACE)任务上的海洋颜色仪器(OCI)。

美国国家航空航天局/比尔Hrybyk

ORCA首次展示了以每秒6转的速度旋转的望远镜可以与一组电荷耦合器件完美同步。电荷耦合器件是将望远镜投影转换为数字图像的微芯片。这一创新使OCI能够观测到以前使用天基传感器无法观测到的海洋颜色的高光谱阴影。

但让ORCA特别吸引PACE的是其彻底测试的血统。麦克莱恩退休后接管ORCA的Gerhard Meister说:“一个非常重要的考虑因素是技术成熟度。与PACE考虑的其他海洋辐射计设计相比，“我们已经准备好了这个仪器，我们已经证明它可以工作。”

技术成熟度也使HARP成为PACE偏振计挑战的一个有吸引力的解决方案。任务工程师需要一台足够强大的仪器，以确保PACE的海洋颜色测量不受大气干扰的影响，但又足够紧凑，可以在PACE天文台平台上飞行。

当UMBC的大气科学家范德雷·马丁斯(Vanderlei Martins)在2016年首次与Werdell谈到将HARP的一个版本纳入PACE时，他已经用AirHARP(一种安装在飞机上的HARP版本)验证了这项技术，并正在利用ESTO奖为太空准备HARP立方体卫星。

HARP2依赖于通过AirHARP和HARP CubeSat开发的相同光学系统。广角镜头从60个不同的视角观察地球表面，每像素的空间分辨率为1.62英里(2.6公里)，所有这些都没有任何移动部件。这使研究人员可以通过一个消耗很少能量的微小仪器来了解气溶胶的全球情况。

HARP2是超角彩虹偏振计2的缩写，在发射前经过PACE的校准测试。

美国国家航空航天局/丹尼亨利

马丁斯说，如果不是美国宇航局早期对AirHARP和HARP CubeSat的支持，“我认为我们今天不会有HARP2。”他补充说:“我们实现了每一个目标，每一个要素，这是因为ESTO一直与我们在一起。”

这种支持继续对杰西·特纳(Jessie Turner)等研究人员产生影响。特纳是康涅狄格大学的海洋学家，他将利用PACE研究切萨皮克湾的藻华和水的清晰度。

特纳说:“对于我正在为PACE数据的早期采用者构建的应用程序，我实际上认为偏振计将非常有用，因为这是我们以前没有完全为海洋做过的事情。”“偏振数据实际上可以帮助我们看到水中有什么样的颗粒。”

如果没有麦克莱恩和马丁斯团队对仪器的早期开发和试驾，我们所知道的PACE就不会存在。

麦克莱恩说:“这一切都及时到位，使我们能够及时地为PACE提供成熟的仪器和科学。”