作者：林彥興
顧問：黃懷逸
天氣預報怎麼來的呢？
簡單的說科學家藉由將各地的溫、濕、壓、風、雲、雨等氣象資料輸入超級電腦中，按照熱力學和動力學的物理原理進行演算，再對得出的結果進行經驗修正後公布，就成了我們天天參考的數值氣象預報。
但是這些觀測數據又是哪裡來的呢？
觀測氣象資料的方法五花八門，以風場的觀測來說，在沒有氣象觀測站或海洋浮標的大洋表面，過去科學家多半仰賴海洋表面散射儀、或是根據衛星雲圖上雲層移動的速度反推出當地的風速（雲導風）。
用衛星雲圖反推風速還好理解，那海洋表面散射儀又是甚麼東西呢？
海洋表面散射儀
海平面的風會吹起海浪，因此海平面的粗糙程度與風力大小相關。科學家可以藉由觀測海洋表面的粗糙程度，進而反推出當地的風力大小。海洋表面散射儀的運作原理，就是對海面發出斜向的雷達波，然後測量回波的強度。如果海面因為風力弱而平滑、沒有起伏，那收到的雷達回波就會比較弱；反之則較強。
一個著名的例子就是 NASA 在 1999 年發射的 QuikSCAT 衛星。可以從圖中看到，衛星下方的碟型天線就是海洋表面散射儀。
另一個例子是去年剛剛由飛馬座火箭發射升空的 CYGNSS 衛星系統。這個系統由八顆衛星一同組成，同樣是以觀測海表面的風速為主要任務。有趣的是，這群衛星不會自行發射雷達波，而是藉由觀測 GPS 衛星的訊號在海洋表面的散射情形來得知海洋表面的風速資料。它們會同時接收兩組 GPS 信號，一組直接來自 GPS 衛星，用於 CYGNSS 衛星本身的定位和時間參考；另一組訊號則反射自海洋表面，提供海表粗糙度的資訊，進而反推出風速。
但是無論是雲導風還是海洋表面散射儀，對風場的測量都還不盡完美。散射儀只能觀測到接近海洋表面的風場資料，雲導風雖然可以偵測的高度範圍比較廣（約是 0 ~ 10 km），但需要有雲才能進行，而且精確度不佳。資料不夠精確、涵蓋範圍不夠廣，也就限制了氣象預報的精準度。
這時，就該讓本期的主角：埃俄羅斯衛星出場啦！
ADM-Aeolus 埃俄羅斯衛星
埃俄羅斯衛星全名 Atmospheric Dynamics Mission Aeolus，簡寫為 ADM-Aeolus，是歐洲太空總署 ESA 的新一代氣象衛星，運行在高 320 km、重返週期為 7 天的太陽同步軌道上。正如其名埃俄羅斯（源自希臘神話中的風神），這顆衛星將以風場的測量為主要任務。
有別於前輩們，埃俄羅斯使用一種全新的技術－－都卜勒光達（Doppler Lidar）進行風場的觀測。這個系統的全名是 Atmospheric LAser Doppler INstrument, ALADIN，主要是由一組口徑高達 1.5 m 的蓋賽格林望遠鏡（比台灣最大的天文望遠鏡鹿林 LOT 還大！）、一組摻釹釔鋁石榴石雷射（發出 355 nm 的紫外光）和光譜儀組成。衛星首先會向地球發出高功率的紫外雷射脈衝，這些紫外光進入地球後，會與大氣中的粒子發生散射，而後傳回衛星的光學系統中。如果這些粒子正在跟隨著大氣中的風一起運動，那散射回來的光的波長就會因為都卜勒效應而略有改變，衛星就能夠藉由偵測這些微的變化來精確的測量風場。除了解析度的提升，這項技術的另一個重要意義在於它能夠一次測量從海平面到 30 公里高空的風速資料，填補了傳統的海洋表面散射儀無法測量高空風場的空缺，對氣象預報的意義相當重大。
採用先進技術的 Aeolus 衛星將提供前所未有的氣象資料，但這也使它的研發過程充滿挫折。研發人員在訪談中提到，有兩項關鍵的困難一直阻撓著衛星的研發：
1. 鏡面的鍍膜
光達在運作時會以每秒 50 次的頻率發出紫外雷射脈衝，每當這個脈衝打到鏡面時，鏡面的溫度都會瞬間升高至 1700°C，而且每秒重複 50 次、持續數年的時間。這對鏡片表面鍍膜的材料造成了相當大的挑戰。
2. 雷射汙染問題
高能的雷射會瞬間碳化環境中的有機分子，這些碳就會附著在光學系統上造成汙染。研究人員第一次測試的時候，雷射僅僅工作了六分鐘就因為這個原因而喪失了 50% 的功率。為此 Aeolus 必需持續噴出微量氧氣來清除這些碳，避免他們阻擋視野。衛星噴出氧氣的速度，大概跟一株盆栽行光合作用釋放出氧氣的速度差不多。
除了以上兩點之外，還有許多種種困難讓這顆原訂於 2007 年發射的衛星延宕了 11 年之久。終於，在解決了所有問題之後，這顆精密的衛星將在 2018 年 8 月 22 日（UTC）搭乘織女星運載火箭升空。由於軌道高度較低而且紫外光達的壽命較短，Aeolus 預計只會在軌道上運作三年左右的時間。雖然如此，如果它成功證明了這樣的觀測技術能夠正常運作，傳回前所未有的精確氣象資料，那相信未來會有更多採用相同技術的後繼者出現。風神未來的故事，讓我們拭目以待。
參考資料
海洋學概論 第四章 海洋觀測儀器與方法
JPL Scatterometry
JPL QuikSCAT
ESA Aeolus
英文維基百科 ADM-Aeolus
Earth from Space: special edition
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