一旦卫星进入轨道,SWOT任务不仅将定期监测像俄勒冈州威拉米特这样的强大河流(如图),而且还将监测直径至少330英尺(100米)的小河流。
影像来源:美国能源部

地表水和海洋地形任务将对地球上95%以上的湖泊、河流和水库进行测量。

水就是生命,但尽管水很重要,但人类对地球淡水体的看法却出奇地有限。研究人员对全球仅有的几千个湖泊进行了可靠的水位测量,而地球上一些重要的河流系统几乎没有数据。即将到来的地表水和海洋地形(SWOT)卫星将填补这一巨大空白。通过帮助人们更好地了解地球的水循环,它将有助于更好地管理水资源,并扩大对气候变化如何影响湖泊、河流和水库的知识。

由NASA和法国航天局国家空间研究中心(CNES)合作,加拿大航天局和英国航天局提供捐助,SWOT计划于11月从加利福尼亚州范登堡航天部队基地发射。工程师和技术人员正在法国戛纳的泰雷兹阿莱尼亚太空公司运营的设施中完成卫星的工作。

SWOT有几项关键任务,包括测量地球表面水体的高度。在海洋上空,该卫星将能够“看到”直径小于60英里(100公里)的漩涡等特征——比以前的海平面卫星能够观察到的漩涡要小。SWOT还将测量地球上超过95%的面积超过15英亩(6公顷)的湖泊和宽度超过330英尺(100米)的河流。

“目前的数据库可能包含全球数千个湖泊的信息,”北卡罗来纳大学教堂山分校的NASA淡水科学SWOT项目负责人塔姆林·帕维尔斯基说。 “SWOT将把这个数字推到200万到600万之间。”

SWOT除了测量水面高度(无论是在湖泊、河流还是水库中)外,还将测量其范围或表面积。这一关键信息将使科学家能够计算出有多少水流经淡水水体。“一旦你掌握了水的体积,就可以更好地评估水资源预算,或有多少水流入和流出一个地区。”NASA位于南加州的喷气推进实验室的SWOT项目科学家李·吕恩福说,该实验室负责管理该任务的美国部分。

这一点很重要,因为气候变化正在加速地球的水循环。温度升高意味着大气中可以容纳更多的水(以水蒸气的形式),这可能会导致,例如,比一个地区通常看到的更强的暴雨。这反过来会对农场造成严重破坏,破坏农作物。这种加速的变化会使管理一个社区的水资源变得更加困难。。

“随着地球水循环的加剧,预测未来的极端事件,如洪水和干旱,需要监测海洋供水的变化以及陆地上的水需求和使用情况。SWOT对地球上所有地表水的全球观测将为我们提供准确的信息。”华盛顿NASA总部的SWOT项目科学家纳迪亚·维诺格拉多娃·希弗说。

更大、更好的画面

SWOT将使用一种名为Ka波段雷达干涉仪(KaRIn)的新仪器提供其改变游戏规则的数据,该仪器从水面反射雷达脉冲,并同时通过两个天线接收返回信号。这些天线在吊杆上间隔33英尺(10米),使研究人员能够沿着地球表面大约75英里(120公里)宽的区域收集信息,这条路径比之前的卫星要宽。

这种系统所需的工程设计很复杂,因为如此大的天线臂需要难以置信的稳定性,而且研究人员需要非常精确的计算才能对地球的海洋和淡水体进行测量。帕夫斯基说:“SWOT的基本思想可以追溯到20世纪90年代末,但将这一概念变为现实——所有这些工程——需要花费大量的时间和精力。”

这种系统所需的工程技术非常棘手,因为如此大的天线吊杆需要令人难以置信的稳定性,而且研究人员需要非常精确的计算来对地球海洋和淡水体进行测量。“SWOT的基本理念可以追溯到20世纪90年代末,但将这一概念变为现实——所有这些工程——需要花费大量的时间和精力。”帕夫斯基说。

已经在轨道上的卫星可以测量海洋、非常大的湖泊和非常宽的河流中的水面高度或水体的表面积。但是为了计算体积随时间的变化,科学家需要匹配不同仪器在不同日子测量的范围和高度。这使得我们很难确定一些基本的细节,比如有多少水流经世界各地的河流,水量变化有多大。“你可能认为我们已经知道了,”帕夫斯基说。“但对于世界上许多河流来说,这种测量方法并不多。”

SWOT将消除将来自不同卫星的范围和高度信息拼凑在一起的需要,同时卫星将为研究人员提供地球地表水的全球视图。“这将是我们对淡水的认识和理解的巨大变化。”SWOT科学团队成员、法国图卢兹地球物理与海洋空间研究所的淡水研究员西尔万·比安卡马利亚说。

一些研究,包括去年发表在《自然》杂志上的一项研究,使用水位测量来观察世界各地的湖泊和河流如何随时间变化。然而,研究人员期望从SWOT中获得的数据将提供对水位和表面积的更好理解,这两方面的采样将更频繁,覆盖地球的更大面积。一旦卫星进入轨道,SWOT将每天发回约1TB的未处理数据。

比安卡马利亚和帕夫斯基等科学家特别希望获得流域层面的信息,或该地区土地干涸的湖或河及其支流的面积。“从社会的角度来看,无论是饮用水、航运还是防洪,都需要在流域范围内管理水资源。”比安卡马利亚说。“因此,需要对整个流域进行观测,SWOT将提供此类数据集。”

关于任务的更多信息

SWOT由NASA和法国国家空间研究中心联合开发,加拿大航天局和英国航天局也提供了帮助。由在加州帕萨迪纳的加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室,负责该项目的美国部分。对于飞行系统有效载荷,NASA正在提供KaRIn仪器、GPS科学接收器、激光后向反射器、双光束微波辐射计和NASA仪器操作。CNES正在提供通过卫星(DORIS)系统集成的多普勒轨道图和无线电定位、双频波塞冬测高仪(由泰雷兹阿莱尼亚太空公司开发)、卡林射频子系统(与泰雷兹阿莱尼亚太空公司合作,并得到英国航天局的支持)、平台和地面控制段。CSA提供KaRIn大功率发射器组件。NASA正在提供运载火箭和相关的发射服务。

如欲了解更多关于SWOT的信息,请访问:

https://swot.jpl.nasa.gov/

参考来源:
https://www.nasa.gov/feature/jpl/us-european-satellite-will-make-world-s-first-global-freshwater-survey

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