★ 天空中的這隻眼睛承諾了我們呼吸的空氣中的主要見解

 
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Smithsonian

衛星任務 TEMPO 將在全國範圍內檢測社群規模的汙染物

工廠的煙囪噴出化學物質、咆哮的野火使天空充滿了煙霧、廢氣排放物從道路上飄散開來。每天，這些和許多其他來源都會增加對人類健康和環境有害的空氣污染物，而這個問題並不總是容易發現。

但多虧了美國太空總署和史密森尼天體實體天文台（SAO）之間的合作，史密森尼天體物理天文台是哈佛和史密森尼天體物理中心的一部分，一個革命性的新工具將很快提供對空氣汙染的更詳細的分析，該分析將關注我們從離地面 22,000 多英里處呼吸的空氣。

基於衛星的對流層排放：汙染監測（TEMPO）儀器將以極其詳細的解析度，每小時監測許多主要汙染物的化學和不斷變化的動態。TEMPO 將追蹤空氣汙染的產生方式，以及空氣汙染是如何演變和擴散的，貫穿整個大氣層和整個北美。

「TEMPO 是一個由光譜儀組成的衛星任務，使用我們 30 多年來開發的技術，使用光譜來測量空氣汙染，」10 年前首次提出該任務的 SAO 專案首席研究員 Kelly Chance 解釋說。「我們有一個座右銘，叫做 'TEMPO：是時候了。' 但這意味著我們在白天每小時測量北美，其空間解析度比華盛頓特區的[國家]購物中心大一點。」

一枚獵鷹 9 號兩級火箭，今天從佛羅里達州卡納維拉爾角空間站發射，以每小時 7000 英里的速度發射升空，將其衛星有效載荷送入地球靜止軌道，這意味著該衛星將保持在美國、墨西哥和加拿大上空 22,236 英里的位置。TEMPO 的洗衣機大小的儀器套件，類似於一個頂部有圓盤形轉盤的管子框架，將位於一顆巨大的 Intelsat 40e 通訊衛星面向地球的側面。

位於弗吉尼亞州漢普頓的美國太空總署蘭利研究中心的專案經理 Kevin Daugherty 指出：「在我們生活的地方，在我們呼吸的空氣中，有很多不同的事情需要關注。」「獲得這種高解析度 ...... 我認為，在全國各地，這將是向前邁出的一大步，能夠拼湊出我們的主要汙染源在哪裡，以及汙染是如何發展的。」

空氣汙染受到各種天氣的嚴重影響；風會傳播汙染物，雨水會將它們沖走，溫暖的空氣和陽光會引發或加快空氣中的化學比率。閃電可以產生氮氧化物，這與有害臭氧的形成有關。TEMPO 的追蹤，將以前所未有的方式揭示天氣和大氣汙染物之間的相互作用，這有利於科學家、希望避免空氣品質惡劣的公民，甚至是那些負責改善我們呼吸的空氣的人。

「當經理們試圖弄清楚如何最有效地清理空氣品質時，瞭解他們所在地區在特定日期在特定條件下發生的事情。麻省理工學院的大氣和行星科學家 Arlene Fiore 說：「這是他們做出最有效的決定所需的資訊。」她與該專案無關。

Chance 說：「TEMPO 將每天從大西洋到太平洋，從波多黎各和墨西哥城到艾伯塔省的加拿大油砂，每天測量大氣汙染。」

衛星的大陸覆蓋範圍也將具有巨大的區域性細節，空間解析度為四平方英里，比目前大約 155 平方英里的衛星能力有了巨大的升級。細微的焦點將有助於直接確定，哪些地區的汙染水準較高或較低，並發現工廠或農場等不同空氣汙染物的具體來源。

TEMPO 將每天測量大氣汙染。

大多數軌道空氣品質監測系統每天只觀察一次特定地點的空氣汙染，通常在同一時間，它們在環繞地球時經過。但空氣汙染，無論是來自汽車、發電廠還是野火，都會在許多不同的時間排放。汙染物也是動態的；它們被風迅速輸送到遠離來源的地方，在空氣中發生化學反應。目前的衛星缺乏跟蹤這種不斷變化的大氣環境的能力。

Daugherty 說：「我們知道，在一天中的某些時候，它更高，而在其他時候，它更低。」「現有的衛星無法真正看到汙染在一天中是如何變化的，甚至可能錯過汙染的高峰。由於能夠掃描每個日光小時，我們將能夠全天看到這些效果。」

美國太空總署資助的任務將測量對流層中臭氧、二氧化氮、二氧化硫、甲醛和氣溶膠的汙染濃度 —— 從地球表面到約 10 英里的低層大氣層。這些每小時的報告，將有助於即時和更長的時間，對汙染源和行動進行建模，以及我們的大氣層是如何變化的。

透過追蹤空氣汙染物全天不斷變化的變化，一種「化學天氣」，TEMPO 將提供資料，可以在整個大陸產生空氣品質預測，以便在顆粒物、揮發性有機化合物、二氧化氮或其他化學品水準，使空氣特別不健康時提醒公眾。基於美國的地面感測器，在一些主要城市中心實現了此類警報。環境保護局（EPA）的空氣品質指數，但北美大部分地區的人們沒有這樣的資源，來知道當地空氣何時是乾淨的。

該團隊設想了像手機應用 app 這樣的實用用途措施，適用於對空氣汙染物敏感的人，他們將能夠即時使用資料。「我們希望做的一件事是讓人們檢視他們所在位置的空氣品質，並能夠開啟一個應用程式並問，'我今天早上可以去跑步嗎？'」 機會說。

TEMPO 被描述為軌道大氣化學實驗室，採用對可見光和紫外線波長都很敏感的光譜儀。該系統的集光鏡將每天每小時對該大陸進行從東到西的徹底掃描。不同的汙染物將透過從地球反射回 TEMPO 探測儀器的陽光，透過它們從陽光中吸收頻率的方式來觀察。

Daugherty 說：「我們正在仔細觀察那道光線，並以如此準確的準確的測量方法來，以至於我們可以斷出它來自什麼型別的分子。」透過非常詳細地確定空氣汙染的地點、內容和時間，TEMPO 將幫助指導決策者，希望減輕汙染源頭的有害影響。

TEMPO 是美國宇航局第一個地球風險儀器專案 —— 小型、有針對性的科學調查，目的在補充該機構的大型研究任務。與 SAO 的 Chance 合作是一個頂級的科學團隊，包括來自美國太空總署蘭利研究中心和戈達德太空飛行中心、國家海洋和大氣管理局、鮑爾航空航太局和環保局的專家。

該專案也是一種寶貴的商業夥伴關係。由 Maxar 在加利福尼亞州帕洛阿爾託建造的通訊衛星外殼 TEMPO，將為國際通訊衛星組織的商業航空客戶，提供每秒 40 多千兆位元組的網際網路連線，同時它飛越北美。這些相同的能力將由 TEMPO 任務利用，與在獨立航天器上發射 TEMPO 的成本相比，這種夥伴關係節省了數百萬美元。

而 TEMPO 的大陸規模只是大局的一部分。這顆衛星加入了汙染監測衛星的星座，包括韓國航空航太研究所在 2020 年發射的一顆，以及歐洲航太局計劃明年啟動的一顆。這個空氣品質星座將一起掃描歐洲、北美和亞洲，並追蹤從社群到洲際規模的世界許多人口中心的空氣汙染。

Daugherty 說，加州大規模野火將是利用 TEMPO 獨特能力的絕佳機會。研究人員發現，此類火災給生活在周邊地區的人們造成了嚴重的空氣汙染，但這只是畫面的一小部分 —— 野火汙染也會傳播氣流，遠離源頭。

Daugherty 解釋說：「瞭解這些來源如何產生汙染，以及汙染被輸送到哪裡很重要。」「我們能夠做的一件事是實際看到一些東西在移動，在它流經全國時追蹤它。」

當異常而動態的汙染源爆發時，如火山爆發或工業事故，TEMPO 可以改變齒輪來捕捉事件，從而可以非常詳細地分析其獨特的汙染特徵。Daugherty 解釋說：「我們可以專注於一個較小的區域，只有大陸面積的六分之一，然後每十分鐘進行一次掃描。」

該計劃是讓 TEMPO 定期監測更常見的空氣汙染源，非常詳細地跟蹤工廠設施排放的汙染物生產的起伏和流動，以及高峰時段交通的增加。這些反覆的觀察將揭示模式，例如哪些天氣條件在農場施肥後可能會造成更多的氮氧化物汙染。

TEMPO 還瞄準了對流層中的臭氧。與高層臭氧不同，上層層臭氧起到保護遮蔽作用，吸收太陽產生的有害紫外線輻射，我們呼吸的空氣中的臭氧在煙霧的形成中發揮著作用，並損害人類肺部。

這種臭氧並不總是容易檢測的，因為它不是直接產生的，而是透過大氣中涉及陽光的化學反應與被稱為氮氧化物和揮發性有機化合物的關鍵成分形成的。Fiore 說：「因此，TEMPO 的真正巧妙之處在於，它是我們第一個在白天連續感知這些與臭氧格式如此相關的物種的儀器。」

首席調查員 Kelly Chance 在十年前首次提出了這項任務。 天體物理中心 | 哈佛和史密森尼學會

儘管海拔很高，但 TEMPO 將從地面檢索到僅 1.25 英里的臭氧讀數，這在以前從未如此詳細的地方獲得過。為此，Chance 感謝該專案副首席研究員 Xiong Liu 的不懈努力，他是 SAO 的物理學家，也是從太空中回收臭氧汙染的主要專家。

錢斯說：「衛星一直在上面，一直看到我們坐的地方，很艱難，因為大氣層很複雜，中間有一大堆。」「從向下看的衛星上測量對流層臭氧不是一件容易的事情。但 Xiong Liu 做到了。」

甚至在釋出之前，TEMPO 的能力就激勵了科學家提出幾十種其他創造性的方法來使用該系統。TEMPO 可能會研究閃電對臭氧生產的影響，或者海洋和湖泊如何產生可能消耗臭氧的化學物質。該系統可以繪製大氣河流，這些空氣中的水分走廊會移動大量的水分，比如從夏威夷流向西海岸的著名鳳梨快車。可能性是巨大的，這是一個令人興奮的前景。

他說：「有趣的是，我不知道的衛星和科學比我知道的要多。」「當好的科學儀器上升時，它們所做的比人們計劃甚至想象的要多得多。」

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