空間物理與空間環境

用于太陽光譜輻射度測量的國際空間站光學載荷

時間:2017-03-02  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

 

1 引言

1.1 SOLAR科學目標

SOLAR的基本任務有三個:太陽、氣候和大氣物理。

從千年的尺度來看,氣候變化主要源于在大氣中產生塵埃的太陽活動、溫室氣體濃度和火山活動,這三種輸入彼此并不相關,但它們的組合可以產生不同類型的氣候。

總太陽輻照(total solar irradianceTSI)呈現的變化與11年太陽活動周期相關,其變化的振幅比0.1%略微更大(例如太陽周期19)或更低(例如太陽周期1424)。氣候模擬結果顯示的影響小于觀測值,并且模擬顯示氣候的響應可能會持續幾十年。這種緩慢的氣候響應與冰芯數據表明的快速氣候轉變觀點相矛盾。因此,人們一直在尋找一種能夠加速氣候變化的機制。有些文獻中考慮了平流層和對流層之間的動力耦合,但這需要知道紫外(ultravioletUV)波段太陽光譜輻照度(spectral solar irradianceSSI)的變化率及其絕對值。如果能提供可靠的輸入參數,如塵埃含量、大氣中的溫室氣體濃度、以及所模擬的百年尺度內的太陽總的光譜輻照度,氣候模型能夠模擬出過去時期的情況。因為在模擬的時間段里沒有進行過太陽測量,因此需要對太陽的輸入進行重建。

行星的大氣性質(溫度、組成和動力學)是由太陽輸入決定的,輸入是波長的函數。讓我們考慮下地球大氣的情況。在行星大氣中起作用的光化學過程是電離、吸收、光解離,熒光和重組。這些反應引發許多化學反應,導致能夠吸收其它太陽波長的新物種的產生。典型的實例是分子氧的解離,其受到臭氧形成和平流層的正溫度梯度復合的牽引。另外,這些區域的很多物理過程也與氣溶膠有關。波長在280-450nm范圍內的太陽光子被臭氧和一氧化氮部分吸收。在100-280nm的光譜域中,吸收量是海拔的函數,最高海拔可達80km,高于這個海拔時,波長短于100nm的光子通過產生電離層起到更重要的作用,太陽活動和顆粒沉淀劇烈時,熱電離層的溫度可能高于1500K

在太陽物理學領域,SSI測量在驗證和推進太陽大氣模型中起著重要作用。從物種列表、溫度分布、由磁力圖所描述的磁場活動水平以及其他參量,我們可以獲得一個理論上的SSI值。

其具備以下用途:

?重建過去的SSI用于氣候模型運行(例如,MaunderDalton最小值等)。

?生成時間序列,原則上沒有數據空白,但如果存在數據空白,需要進行驗證。

時間序列可以被重建為一般參數系列,其比SSI現代測量有更少的中斷,可以在首次SSI測量之前生成,也避免了SSI的老化修正,因此具有一定價值。最準確的SSI的時間序列需要及時地擴展以研究長期和短期變化。

 

1.2太空中光譜輻照度測量

隨著“臭氧空洞”的發現,更需要準確測量SSI,這導致了一系列儀器的產生,具體如下:

?國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric AdministrationNOAA)航天器上機載的太陽反向散射紫外線(Solar Backscatter UltraVioletSBUV ),

?上層大氣實驗衛星(Upper Atmosphere Research SatelliteUARS)機載的太陽紫外光譜輻照度監測器(Solar Ultraviolet Spectral Irradiance MonitorSUSIM )和SOLAR STEllar紫外波段的輻照度比較實驗(SOLar STEllar Irradiance Comparison ExperimentSOLSTICE ),

?三個應用與科學大氣實驗室(Atmospheric Laboratory for Applications and ScienceATLAS)任務機載的全波段的SOLAR SPECtrumSOLSPEC),SSBUVSBUV的副本)和SUSIMSUSIM-UARS的副本)任務。

長時間序列顯示儀器出現了老化。為了減小老化的影響,科學家們也提出了一些解決辦法,主要基于使用內部校準燈、電離室(ionization chamberIC)、穩定恒星輻照度參考、雙儀器相互比對和雙儀器火箭飛行。此外,氣候模型的發展已經表明,需要將測量的光譜域(Lyα通常到410nm)向極紫外(extreme ultravioletEUV)以及和向可見光紅外波段擴展。以下就是開發測量EUV光譜和UVIR光譜的新一代太陽儀器的原因:

?掃描成像吸收光譜儀可用于大氣探測(SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CHartograpYSCIAMACHY),

?太陽輻射和氣候實驗(SORCE)上的SOLSTICE和光譜輻照度監測器(SIM),

?SOLAR SPECtrumSOLSPEC),

?太陽自動校準EUV / UV光譜儀(SolACES)。

EUVUV光譜儀對由航天器/平臺環境或儀器光學部件上的表面沉積污染物所引起的老化高度敏感。當有機污染物暴露于EUV時,它們將被分餾和熱解,這尤其會在光學儀器表面上留下碳層。碳對EUVUV光具有強吸收能力,會吸收短波長的太陽光子。即使在沒有污染的情況下,高能量的EUV輻射也會改變光學部件特性(透射、反射率、檢測器效率),導致儀器效率出現不可預測的變化。這就是在空間儀器中設計不同解決方案的原因。SolACES利用了 EUV光譜儀的新型設計,可以通過儀器的重復校準克服空間老化的問題。

熱層電離層模擬、空間天氣預報和天基導航的若干應用對EUV SSI監測的需求快速增長,亟待出現一種能協調全球資源的新方法。這是常規TIGER-COSPAR研討會討論的熱層電離層陸界研究(Thermospheric-Ionospheric GEospheric ResearchTIGER)中的主題。已提出的一種解決方案是開發低成本EUV傳感器的一種組合來進行交叉校準,其通過在空間中操作的精確校準的儀器來實現。此外,歐洲委員會第七框架計劃(Seventh Framework ProgrammeFP7)下的第一個歐洲太陽輻照數據開發(SOLar Irradiance Data ExploitationSOLID)旨在召集國際SSI團體來產生短期和長期變化的準確時間序列。

然后,覆蓋EUV域的幾個任務被提出來,它們分別是:

?熱層電離層中層能量和動力學(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and DynamicsTIMED),

?太陽日球觀測站(Solar Heliospheric ObservatorySoHO),

?機載自主項目(PROBA-2),

?太陽(SOLAR),

?太陽動力學觀測站(SDOEVE)。

對于UV-VIS,對絕對尺度精度的需求正在增長,然而,在長期可變性測量中仍然存在著一些困難(SIM / SORCE在周期23結束時與SUSIM觀察和建模存在著不一致)。

 

2 SOLAR-ISS機載儀器

2.1儀器選型

199612月,歐空局發布了在國際空間站(International Space StationISS)上計劃18個月的任務飛行機會的公告。在世界范圍內公布ISS外部安裝有效載荷機會(SP-1201)之后,歐空局微重力和空間站利用部選用了三種儀器。這三個選定的儀器是:

?太陽活動輻照度監測器(SOlar Variability Irradiance MonitorSOVIM

?太陽自動校準EUV / UV光譜儀(Solar Auto-Calibrating EUV/UV SpectrometersSolACES

?太陽光譜儀(Solar SpectrumSOLSPEC)。

這三種儀器構成的有效載荷,并且被命名為SOLAR,部署在ISS上。該選擇是基于每個儀器的科學目標、它們的相互完整性、以及在軌道上進行精確測量的能力。這些儀器是由三個歐洲國家的三個組織負責制定的,即物理測量技術觀測站達沃斯/世界輻射中心(瑞士)、夫瑯和費物理測量技術研究所(德國)和進行大氣實驗、環境觀測的法國中央國立科學研究機構(法國)。

 

2.2儀器安裝

這三種儀器安裝在指向平臺(圖1)上,以便在每個軌道上有大約20分鐘可跟蹤太陽。盡管ISS在一度內的移動精度為一到三毫分,這個稱為粗略指向裝置(Coarse Pointing DeviceCPD)的平臺允許對太陽進行觀察。幾經延誤,這些儀器終于在200827日被發射升空,那時非常接近最少太陽活動時期。因此主要的測量集中在最少太陽活動期和周期24的上升階段。最后,SOLAR有效負載在周期23-24之間的最少太陽活動期以及周期24的上升階段進行SSI測量,而未在周期23的下降階段測量。

CPD可以跟蹤太陽,然而,由于技術限制和對季節的依賴性,其每月的跟蹤時間從15天到24天不等。最長的太陽觀察是在二至點(夏至和冬至)實現的。在201212月,ISS有一個輕微的姿態改變,這可以實現對太陽的連續觀察。這一機會允許通過SolACESSOLSPEC全方位觀察太陽旋轉對SSI的影響,相應的結果將在第8.3.2節中顯示(圖1415)。

 

1. 在哥倫布模塊的末端,安裝了粗略指向系統(Coarse Pointing SystemCPD),其上安裝了三個儀器SolACESSOLSPECSOVIMCPDISS運動無關,總是指向太陽。(歸功于ESA

 

2.3 SOLSPEC光譜儀

SOLSPEC由三個光譜儀組成,每個光譜儀分別用于測量紫外光、可見光和紅外(infraredIR)太陽輻照度。SOLSPEC還包括一組燈,用于監測儀器老化、波長大小和光譜儀狹縫功能。每個光譜儀由使用Jobin-Yvon制造的全息光柵的雙單色儀構成(圖2)。

六個光柵被封裝在使用步進電機進行旋轉的單件機械軸上,其精度相當于0.01nm的光譜分辨率。二階和衰減濾波片被放置在光路上,其位置與光柵步數(即波長)相關。每個光譜儀的入口由石英擴散器制成,用以減少對太陽視線的信號依賴性。

為了防止由三個光學口進入的EUV所產生的老化,在輪子上設置了可移動的石英板和孔。每個通道使用兩塊板,一塊用于常規用途,另一塊是備用單元,每月只使用一次,這讓我們能夠測量其傳輸的比率。絕對透射率通過將光學入口的板移除來進行測量,此操作每六個月進行一次。

裝在紫外光光譜儀的兩個氘燈和裝在可見光和紅外光光譜儀的兩個鎢帶燈可以對三個光譜儀響應度進行飛行監視。空心陰極燈提供了譜線,主要用于飛行測量,確定出狹縫函數和色散定律(光柵步數和測量波長之間的關系)。這些譜線是銅、鋅和氬氣的譜線,波長在200~800nm的波段范圍內(由燈內的填充氣體激發),可以覆蓋紫外和可見光譜儀的光譜范圍。圖3顯示了譜線分布與波長之間的函數關系。

 

2. 單個光譜儀的原理圖。三個光譜儀具有公共旋轉軸(虛線標識),允許在11分鐘內測量從170nm3000nm的太陽光譜輻照度

 

3. 左圖和右圖分別顯示了紫外光和可見光光譜儀捕獲的譜線。大多數金屬源譜線在紫外光波段,而大多數氣體源譜線在可見光波段

 

SOLSPEC配備有太陽傳感器,其作用是提供太陽在視場中的空間位置信息。它主要用于以下兩種情況:

?在不要求指向軌道的情況下,視野中的太陽位置可能偏離,尤其是發射后,例如可能偏離1~2個弧度,(參見第6.2.1節)。

?由于光譜儀的響應度一般取決于源位置,因此,知曉太陽在儀器視場中的位置就顯得尤為重要。這被稱為平場效應,我們可通過太陽傳感器測量太陽位置來獲得該效應。第6.2.1節將講述如何測量這種效應。

1總結了SOLSPEC儀器的特性。

 

2.4 SolACES光譜儀

盡管在EUV領域已經有50多年的研究歷史,EUV / UV儀器的校準仍然是一個困難的問題。由于儀器光學部件的連續老化,導致入射EUV / UV光子轉換為記錄信號的效率發生變化。此外,仍存在由污染、EUV輻射本身以及其他表面變化(例如在真空環境和宇宙射線中產生的那些變化)所引起的眾多不同效應。盡管實驗室中建立的校準程序已達到幾個百分點的精度水平,但在空間中重新校準EUV儀器時,仍需考慮對老化源的影響。

1 SOLSPEC儀器在飛向國際空間站時的特征

光譜儀

3

全光譜范圍(nm

165-3080

紫外光譜范圍(nm/帶寬(nm/采樣

165–370/1.2/0. 008

可見光譜范圍(nm/帶寬(nm/采樣

285–910/1.6/0.025

紅外光譜范圍(nm/帶寬(nm/采樣

650–3080/9./0.1

紫外/可見/紅外的光柵線數

mm3600/1800/1200

D2

氘燈中2

鎢絲燈

Jelosil4

空心陰極燈

氬和金屬譜線

太陽位置傳感器

保護石英板

每個光譜儀2

BB校準

BB3200pg

D2和鎢校準燈

PTBNIST

紅外探測

3個增益

全部重量

29kg

尺寸(mm

436×437×455

遙測

1 kbits/s

功率(W

D2燈開的時候5080

每個光譜儀的視場范圍

半錐形=3弧度

 

文獻中提出了一種能在空間中進行飛行校準的太陽EUV / UV測量方法,文獻作者與俄羅斯代表進行了討論,欲在MIR軌道空間站上應用這種方法,但可能無法實現。該校準方法如圖4所示。太陽輻射經過一個帶有平面光柵幾何結構的單色儀后變成近乎單色的光子通量,將由作為主要檢測器標準的電離室(ionization chamberIC)對其進行探測。因此,在移除校準檢測器之后,事先確定的已知的單色光子通量進入光譜儀,后者將給出其校準結果。對于不同波長重復該過程,我們可以得到一個關于時間的函數,在有必要時,光譜儀將被重新校準。

SolACES EUV / UV光譜儀所采用的校準方法也是基于該電離室技術。現選擇窄帶通濾波器替代以前所使用的單色儀來選擇太陽光譜的子范圍。它們的透射率會被反復確認。由相應濾光器所選擇出的EUV / UV SSI的一部分將在電離室中被吸收,其中EUV / UV光子根據波長產生一組不變數目的離子-電子對。

相對于圖4中的雙室而言,SolACES中所使用的電離室已得到了很大改進。在電離室的末端設有一個EUV / UV光電二極管。它檢測在電離室中未被吸收的剩余光子通量,并產生離子-電子通量。由于電場條件和在它們的分離(光子能量-功函數=最小熱力學功,即從一個原子中移走一個電子所需的能量)過程中所接收的光電子的過量能量,更高能量的光子將生成二次離子-電子對,加載到雙電離室中的兩個測量電流中。而由EUV / UV光電二極管所產生的第三種電流不受二次進程的阻礙。因而它提供了一個方法,可用于交叉檢查雙電流測量的結果。

SolACES是首個具備在軌重復校準能力的儀器。它提供約10%的輻射度測量精度,允許在將來根據波長有3-5%水平的改進空間。SolACES包括四個高輻射通量輸入的平面光柵光譜儀,使得探測器在所有波長范圍內產生超過每秒105次的計數率(見圖5)。諸如He4nm)這樣的強發射將在每秒產生超過107個計數。檢測器是開放通道倍增器,光譜范圍高至150nm。不幸的是,由于涂有碘化銫涂層密封的通道倍增器的性能衰退,光譜儀4對高至220nm的光譜范圍的檢測也會出現退化,最終將在發射之后失效。因此,測量的光譜范圍將從16-220nm縮小到16-150nm。三個光譜儀的光譜分辨率范圍為0.51.8nm

 

4. EUV光譜儀飛行中校準的儀器布置

 

5. 分別在重疊域16-65nm(光譜儀S1),32-100nm(光譜儀S2)和40-150nm(光譜儀S3)中測量的EUV光譜儀S1S2S3SolACES計數率

 

6. SolACES概述(質量:23.0 kg;尺寸:25×29×60 cm3;電力消耗:25W平均和60W峰值;數據速率:~1.0 kbit / s

 

除了光譜儀之外,還有兩個三路信號的電離室被用作在軌校準的主要檢測器標準。對于每個校準測量,我們從覆蓋感興趣的光譜范圍的42個濾波器中選擇10nm20nm的不同帶通濾波器。此外,我們用過濾器密封電離室,其中的氣體是NeXe/90%Xe10%NO的混合物,每次測量時,壓力從零增加到太陽EUV / UV輸入的總吸收壓力,并逐漸填充電離室。

SolACES組件的示意圖如圖6所示。

SOLAR指向太陽時,太陽輻射將進入儀器中。將打開孔徑或將濾光器置于光譜儀的入口處,由濾光器轉盤進行控制。濾光轉盤總共有48個空位。

7為校準測量的示意圖和太陽光譜輻照度數據。

為了防止在高電壓下供電出現冠狀放電,光譜儀或電離室的記錄不能同時進行。光譜儀S1-S3并行操作,此時太陽光通量Φ無衰減,可利用插入式濾波器對光通量進行衰減。相應的信號分別表示為cpscpsT(見圖7的左側)。根據這些數據,我們測量得到相應濾波器下的透射率T。將濾波器放置在電離室記錄三路電流,根據氣體壓力和波長光吸收截面來模擬EUV / UV光子的吸收,以確定出進入腔室的光子通量ΦT。考慮到不同濾波器的透過率,我們通過將EUV / UV SSI的間隔進行彼此相加,以此確定出太陽輻照度。

 

7. 光譜記錄、電離室測量和不同光譜間隔的SSI數據測定的示意圖

3儀器校準

3.1 SOLSPEC光譜儀

3.1.1實驗室校準

有幾個儀器特性需要在發射前進行準確測量:

?光譜儀色散法,帶寬和每個光譜儀的光譜特性的穩定性,

?光譜儀雜散光,

?視場確定和平場效應,

?信號的線性與源強度關系,

?內部燈光譜,

?反平方律驗證,

?絕對響應。

下面僅描述最重要的實驗室校準項目。

 

8. Zn I213.86nm)線測量的UV光譜儀典型UV光譜儀帶通。在50%處最大透射率(FWHM)的光譜寬度為1.63nm

2 每個光譜儀SOLSPEC帶寬和波長之間的關系

 

紫外

可見

紅外

λ(μm)

.18-.24

.26

.30

.34

.30

.45

.60

.75

.85

.70

1.2

1.7

2.3

2.9

Δλ(nm)

1.6

1.5

1.15

0.85

2.15

2

1.7

1.7

1.9

9.7

9.5

8.9

7.5

7

 

3.1.1.1光譜儀色散法和帶寬

每個光譜儀的波長刻度與光柵位置相關,因此也與旋轉光柵外殼的步進電機的性能以及機械掃描的再現性有關。我們使用幾個光譜燈在UV和可見光中發射的譜線來測量色散定律和帶寬。我們使用了一個氦氖激光器(632 nm)作為紅外光光譜儀,在去除二階濾波器后,該激光器可以工作在5級。

對于UVVISIR光譜儀,波長掃描穩定性分別為0.004nm0.01nm0.05nm。利用機載空心陰極燈的測量,我們可在軌道中確定出光譜儀的光譜特性(圖8)。

利用儀器空心陰極燈和其它氣體燈進行類似的測量,可以建立起光柵位置(由光柵步進數給出)和波長之間的關系,以及每個相應波長的光譜寬度。光譜儀帶寬參見表2

在太空中,我們也使用儀器空心陰極燈進行相同類型的驗證/校準。但由于六個光柵是在一起旋轉的,對紫外和可見光譜儀的校準也能推導出紅外光譜儀的光譜特性。

 

3.1.1.2視場和平場效應

大多數光學儀器的響應度依賴其視場內的源位置,典型的依賴性是每偏離軸1度變化為2%。由于在地面上進行的絕對校準使用與光軸上平行的光源,因此必須對平場效應進行測量。這些測量是通過移動每個光譜儀前面的點源實現的。通常,由于太陽輻照度和存在散射光,對于弱源,假定所需精度需要優于百分之一,其測量將變得極其困難。正是由于這兩個原因,在特殊操作期間,我們將在空間中測量平場效應(見第6.2.1節)。

 

3.1.1.3絕對校準

我們選擇黑體(BB)輻射器作為光譜輻照度校準的主要標準源。聯邦物理技術署(Physikalisch-Technische BundesanstaltPTB)使用BB3200pg系列黑體,通過普朗克定律確定光學儀器的絕對響應。

黑體的主要部分是由堆疊的熱解石墨環組成的空腔,壓在一起并通過電流進行加熱。該腔的有效發射率優于0.999。在最高溫度3200K下空腔的壽命約為100小時,在3000K時,其溫度穩定性為0.40K。由于在該光譜范圍內BB的低輻照度,其輻照度覆蓋了SOLSPEC的大部分光譜域,而波長低于200nm的除外。為此,我們使用紫外波段的特定亮源,如采用通過PTB校準的氘燈,來將絕對校準降至170nm

在給定波長處,假使光譜儀(紫外光,可見光或紅外光)產生信號Sλ),黑體的溫度為T,可通過普朗克定律計算其發射率ETλ),校準系數則為ETλ/ Sλ)。我們通常將記錄在相同波長下的多次測量求平均,以改善信噪比以及探測器暗電流影響。由于我們已經驗證了儀器的線性度,太陽信號(遠大于在校準期間獲得的信號)允許我們可以使用校準系數來計算太陽輻射。表3顯示了地基校準的精度。

特別需要注意的是,由于空間環境(材料沉積、顆粒等)的作用,軌道上儀器的老化會經常發生。我們通過幾種方法校正這些老化,常用的是使用機載燈的方式。然而,由于這些燈不具有太陽的亮度,并且也會發生老化,因此在SOLSPEC中放置兩個單元的鎢燈和氘燈,兩種燈具有不同的操作物理環境。目前,鑒于SSI測量所需的精度,對空間太陽儀器的老化校正仍然是目前任務的關鍵問題之一。

 

3.2 SolACES儀器校準

校準的基本原理是通過使用電離室作為主要檢測器標準來定量地確定近乎單色的光子通量。

在移除校準檢測器之后,已知的單色光子通量進入光譜儀,并對其進行校準。我們對不同的波長重復該過程,以此來校準光譜儀。在去掉單色儀和電離室之后,太陽光子通量進入校準好的光譜儀。在SolACES中,每個濾波器都將過濾出窄帶太陽光子通量。所有濾波器加在一起將覆蓋全部EUV / UV范圍。

3  SOLSPEC地面校準的準確度

 

紫外光譜儀

可見光譜儀

紅外光譜儀

λ(μm)

200

220

250

300

400

700

800

1000

2400

3000

Δλ(nm)

7.0

1.2

1.0

1.1

1.1

0.5

1.0

1.0

1.0

4.0

 

4儀器測試結果和在空間中的性能

4.1儀器測試結果

每個儀器在設計時,其每一項關鍵部件都將在熱真空、機械環境(發射條件的模擬)和電磁環境中分別進行空間資質審核。

SolACES性能的熱真空測試使用夫瑯和費研究所的特殊腔室和柏林的BESSY II電子同步加速器進行評價。在SolACES測試室中,我們將使用空心陰極燈放電和氘光源。通過不同光源的使用,我們驗證自校準方法的正確性。

此外,該儀器為內部交叉檢查提供了許多可能性。濾光輪中的48孔位置承載了42個具有重疊波長范圍的通帶濾波器。例如,使用增加帶通的四個不同Al / C濾波器測量16~55nm的波長范圍,對IC的三個電流進行建模,提供了12種可用于交叉檢查的可能性。通過用NeXe填充電離室,又存在兩個選擇,由于它們電離極限的大約值分別為24.5eV13.5eV,并且它們光子的吸收截面也不相同,因此,交叉檢查的可能性可增加到24種。

 

4.2空間性能

儀器被發射到空間中后,最開始幾周將用于放氣,隨后進入“調試階段”,在該階段將運行不同的測量序列,以檢測儀器的健康狀況。

 

4.2.1 SOLSPEC

對于SOLSPEC,我們需要先檢查不同結構(光柵,百葉窗,過濾器輪)的位置,然后接通內部電源,記錄下信號,并與在發射之前在地面所獲得的信號進行一系列的比較。

主要遮板打開后,儀器記錄下第一束太陽光譜。對于這些數據,儀器應用校準系數得到太陽光譜輻照度,以便與參考光譜進行比較。

我們發現,使用太陽和內部燈時IR光譜儀響應度差異約為5%。這種現象的原因尚未發現,然而,我們可以通過內部燈對儀器進行校正。

如下一節所示,飛行器停靠時SolACES響應度會暫時下降,而SOLSPEC并沒出現類似的現象。

 

4.2.2 SolACES

在任務期間,飛行器因為不同的目的(支撐,設備,食物等)停靠在ISS SolACES光譜儀由于受推進器耗盡材料所產生的污染的影響,會在幾天至半個月的時期內出現效率變化,并且該變化可達到兩個數量級。我們通過加熱儀器實現信號恢復,采用上述方法還可以恢復儀器的原始性能。

信道倍增器也遭受著由累積電荷所引發的退化影響:當累積計數大于1010時,信道倍增器的效率可能會出現顯著下降。結果表明,在儲層中氣體可用時,儀器是自校準的,并能夠校正任何原因引起的老化,例如累積電荷、污染或其他類型。在撰寫本章時,SolACES任務已經運行了五年,但仍然剩余一半的原始氣體壓力,因此,歐空局將該任務延長到20172月。

 

5數據系統

5.1 SOLSPEC光譜儀

1級處理過程提供的SSI是關于波長的函數,并且以工程單位給出。

2級數據以物理單位(W / m2 / nm)給出SSI,而不進行老化校正。

3級數據以物理單位給出SSI并進行老化校正。老化校正是大多數空間實驗的關鍵問題,特別是在UV中。這些校正在可見光和紅外波段中很容易實現。在紫外波段中,該工作還在進展中。在這一點上,重要的是要記住,UV精度要求約為2%,這也是需要實現的校正精度。

 

5.2 SolACES光譜儀

數據以1級至3級生成,波長范圍在16-29nm區間的精度大約為10%,在30-100nm區間的大約為15%,在100-150nm區間的大約為 10%。這些級別通過光譜范圍和時間段彼此區分:

1級數據是在2008年第100天到2010年第16天期間得到的,光譜范圍在16-58nm,光譜分辨率在0.5nm0.8nm范圍 SSI以絕對單位W / m2 / nm進行校準,并校正為一個天文單位。

2級數據是在2008年第100天到2010年第100天期間獲得,具有與第1級相同的特征。

3級數據是在2008年第100天到2014年期間獲得,覆蓋光譜范圍在16-150nm,光譜分辨率在0.5nm1.2nm范圍。SSI以絕對單位W / m2 / nm進行校準,并校正為一個天文單位。由于儀器仍在運行,3級的數據集還未正式發布。從2008年到現在的數據集還處于測試階段,將來也可用于電離層應用的研究。

 

6在軌操作

6.1 SOLAR儀器的常用操作

SOLAR儀器在地面操作時是集成在CPD上的。由于一些未知的原因,當SOLSPECSOVIM的太陽傳感器進行測量時,整個系統在軌道上約有兩度的偏離。我們使用太陽傳感器有可能修正該異常,這主要是通過確定出最合適的設置來平衡三個儀器的視場范圍。

 

6.2 SOLSPEC特定操作

6.2.1??場測量

如第3節所述,我們需要測量平場效應(儀器響應度隨儀器視野內的源位置的變化)來校正SSI計算。

在軌道上,使用太陽作為源,由CPD提供儀器的慢旋轉,儀器在選定波長下測量每個光譜儀的平場效應。因為該效應可以是波長依賴的,所以我們使用了數個波長。我們發現,平場與紫外和可見光譜儀的波長無關,但依賴于紅外光譜儀的波長。我們對每個波長每隔15分鐘測量一次。

 

6.2.2其它測量

我們每天使用機載燈進行校準。載荷中有兩個鎢絲和氘單元。對于日常操作,我們只使用一組燈,兩組中的另一組使用頻率較低,大約每15天用一次。空心陰極燈也被用來進行日常操作,每天掃描10條線,該源很少用于掃描由該燈覆蓋的整個光譜域。

由于大多數燈會因為氣體泄漏和/或表面變暗而老化,我們對曝光時間已經進行了相應的調整以保持標稱的信噪比。

 

6.3解決具體操作

在軌操作主要適應測量的序列、科學計劃以及儀器狀態檢查。

 

7在儀器設計和構建期間所獲得的經驗教訓

7.1 SOLSPEC光譜儀

ISS任務之前,SOLSPEC儀器裝載在SpaceLab IATLAS 1ATLAS 2ATLAS 3EURECA到空間中飛行了五次,通過工作在不同的環境獲得了不同的經驗教訓。

燈的類型對每個光譜儀是特定的,因為共享燈通量將導致每個光譜儀的可用燈通量的降低。此外,法國為UARS調查機載WINDII開發了新型鎢絲燈,用于SOLSPEC-ISS。我們類似地使用了源自SUSIM-UARS的新型氘燈。考慮到ISS平臺的姿態變化,我們開發并使用了一個太陽傳感器,這種太陽傳感器允許我們調整最佳指向,盡管也存在由于一起集成導致的無法預料的偏離。另外,之前任務所獲得的紅外數據表明,我們有必要進一步提高紅外光譜儀檢測電子器件的性能。

一旦儀器進入完全工作,儀器需要使用大量的內部燈以及多個外部源。通過這樣的測量,可使我們精確定義出每個源的曝光時間和空間觀測的各種情景。

 

7.2 SolACES光譜儀

SolACES已經被證明能夠滿足空間中每日重復的自校準設備的要求,這是在EUV光譜領域進行了約50年的密集工作之后的真正提高。到目前為止,還沒有其它公開的方法能成功克服空間老化的問題。

如果ISS上的SolACES儀器不變,通過增加光譜覆蓋范圍、選擇更多的濾光片和選擇更穩定的探測器,SSI EUV數據的精度仍可以得到進一步改善。

 

8 科學與應用

8.1 SOLSPEC光譜儀

8.1.1 SOLSPECNASA航天飛船和ESA EURECA平臺上

SOLSPEC1983年首次被裝載在SpaceLab I上飛行,測量從200358nmUV光譜。一年后,SUSIM將機載在SpaceLab II飛行。這也是首次實現將兩個獨立設計和校準的UV光譜儀的一致性控制在3%范圍內。

SOLSPEC計劃包含了SSI測量,這與太陽活動密切相關。然而,航天飛機挑戰者號的災難打斷了該計劃,后來在ATLAS系列又重新恢復了該計劃。ATLAS的任務是,由航天飛機攜帶SUSIMSSBUV光譜儀分別在19923月、19934月和199411月進行三次飛行,每次為期10天。任務結束后,對每臺儀器進行重新校準。作者比較了從同一平臺收集并同時由三種不同儀器所探測的紫外數據,他們分析了不確定性的來源,最終使用了在處存在3%的結果精度。

盡管SOLSPEC配備了IR光譜儀,但在ATLAS任務期間并沒有獲得可靠的IR測量結果。SOLSPEC被安裝在一塊金屬板上,其預期溫度約為20。然而,當太陽指向被激活時,其溫度升高到約40,這使得IR精確測量變為更加不可能。為了冷卻IR光譜儀使其保持在恒定溫度,我們將它裝在在EURECA平臺上。

ATLAS ShuttleEURECA任務提供的測量分別用于建立涉及高和低太陽活動的ATLAS 13的光譜。它們使用處于Ly α-200nm范圍的的UARS / SUSIMSOLSTICE數據,處于200-400nmSSBUVSUSIMSOLSPEC / ATLAS數據,處于400-850nmATLAS-SOLSPEC數據,和處于800-2400nmEURECA的數據進行復合。通過使用海德堡觀測臺的黑體輻射器和用SURF設備校準的NIST光譜輻照鎢燈和氘燈,將ATLASEURECA光譜校準為絕對輻射度標度。

由于SIM1000nm以上的光譜范圍內存在一定程度上的不準確性,我們決定使用ATLAS 3IR部分來產生從1000nm2400nmSORCE光譜,因為在該譜域下并沒有出現預想的顯著變化。

 

8.2  SolACES光譜儀

EUV / UV光學技術的最新改進為絕對光譜輻照度的估計提供了有用的數據比較。此外,半經驗和理論EUVUV建模的發展,不僅提高了精度,而且具備了能實現長期和短期的預測能力。下面將具體描述這些方面。

當處在太陽周期2324的轉變期間,太陽活動非常少,我們在20085月至6月的時間內收集了多個EUV SSI。在太陽動力學觀測站(Solar Dynamics ObservatorySDO)發射之前,NASA2008414日發射了一枚火箭,裝載著EUV實驗(EUV ExperimentEVE)儀器原型,以確保SDO上的EVE所測量的EUV絕對光譜輻照度的精度。從EVE火箭飛行獲得的SSISORCE復合光譜(WHI、全日照日光輻射)與從ISS獲得的SOLAR復合光譜(即EUV中的SolACES)是一致的,然而高于在太陽活動略大于該時期(見表4)時所獲得的ATLAS 3數據。我們在特定的光譜范圍內進行了詳細的比較:在16-120nm的波長范圍內,WHISolACES呈現出5%的差異;對于28-35nm的較短光譜域,差異可以增加到10%;這樣的差異仍與儀器不確定性相匹配。在太陽光連續譜中可以發現更大的差異,這可以用信噪比和光譜儀雜散光來進行解釋。

16 nm-Ly αATLAS 3SolACES測量值顯示在圖9上,可見SolACES SSI明顯低于ATLAS 3ATLAS 3 SSI在太陽周期21-22轉變處的測量表明,2008年發生的SSI的最小值是自在空間中進行SSI測量以來的最小值。

4太陽黑子數(Sunspots numberSSN),在10.7cm處的太陽無線電通量(F10.7),以及ATLAS 3SOLAR 2008的極小鎂II指標

光譜/太陽代理

SSN

F10.7

Mg II index

ATLAS 3

18

80.0

0.26747

SOLAR 2008

2.4

68.8

0.26426

 

9.  SolACESATLAS 3數據比對

 

10. 來自SDO / EVE(數據處理的第4版本)和SolACES / SOLAR儀器的平均EUV數據集的示例,涵蓋四個太陽旋轉。兩個數據集的精度均為10%

 

四個太陽旋轉的SSI變化涵蓋了SolACESEVE / SDO測量結果,如圖10所示。我們注意到,這些變化其實是同步的,在絕對尺度上是一致的。考慮到儀器在空間中的老化,生成時間序列是一個極具挑戰性的任務。我們使用兩個不同的儀器的方案,會產生多種可能。下面是一個例子。

 

11. SolACESEVE / SDO通量合并數據的一些選定波長域的示例,與從201211月到20131月四個太陽旋轉的F10.7 cm指數(黑點)相比較。從頂部到底部分別為 C III97.7nm)、Fe XII25.63nm)、He II25.63nm)、Ly β102.57nm)、Fe XVI33.54nm),He I

 

由于每個光譜儀隨時間的退化程度不同,因此來自不同儀器的SSI數據在相同的記錄時段需要彼此分開。為了提供一個已經驗證的數據集,結合基于飛行前校準技術的SDO / EVE數據與基于飛行校準技術的SolACES數據,我們采用了一種不證自明的方法。對于16nm31nm的光譜范圍,兩個數據集的平均值以日為基礎表示為組合據。對于該光譜域,我們以百分比計算彼此的每日平均偏差。圖11給出了使用上述方法所獲得的在四個太陽旋轉期間的六個光譜域的變化。

我們注意到,由太陽旋轉產生的輻照度調制的減少,是一個關于波長增加的函數,而它們保留了相位以及F10.7cm。這就解釋了我們利用這個指數來進行EUV建模的原因。

 

8.3  SOLAR-ISS儀器

8.3.1 太陽活動最少時期

在太陽周期23至周期24之間的轉變期間有一個異常的延伸,使得太陽周期24的開始比預期大致推遲兩年。此外,TSISSI的測量顯示,該最小值小于先前觀察到的兩個最小值。

在兩個連續周期轉變處的SSI最小值的準確測量非常重要,如下所述:

?SSI最小值允許驗證經驗或理論的重建模型,特別是在低活動期時的氣候預測。

?SSI最小值記錄和準確校準可與下一個SSI最小值進行比較,以研究長期太陽活動。

?SSI最小值對大氣物理學也很重要,以便預測例如次要成分濃度,并將結果與??測量結果進行比較,從而驗證大氣模型。

?因為太陽活動隨時間變化,它們存在低活動期,例如道爾頓最小值。再看該期間的可用參量,似乎2008年的最低值接近某些過去的時期,如1807年和1900年左右。

這就是為什么2008年觀察到的非常低的SSI在幾個領域中引起廣泛興趣的原因。使用來自SolACESSOLSPEC的數據,我們已經在EUVUV中搜索了SSI最小值出現的時間,發現它們是不同的:在EUV中,最小值發生在最近。我們發現在兩個最小值之間大約存在一年的延遲。應該提醒的是,相對于在太陽黑子中的磁場取向變化的時間,EUV / UV最小值發生在不同時期。太陽最低頻譜如圖12所示。ATLAS 3在低太陽活動下進行測量,但其測量結果高于2008年,如下所示。

12. 左圖顯示的完整光譜,覆蓋從16nm2900nm的范圍。右圖顯示了半對數坐標中的相同光譜譜段。我們注意到,在紅外域中,SSI分布是準線性的。這個沒有任何適配的結果允許我們確定光球層的亮度溫度

 

根據與理論光譜或測量光譜的比較,我們可以估計它們各自的兼容性。在紫外光波段,這些光譜之間的偏差在1%的數量級。

 

8.3.2 長短期的太陽變化率模型

太陽是變星,它的變化性由11年的周期性決定,這引發了尤其是在極紫外和紫外光譜域中的TSI以及SSI的變化。這種活動很容易通過太陽黑子和光斑的出現來進行檢測。此外,當太陽黑子位于40°太陽緯度以下,且太陽的旋轉軸與黃道平面準直時,地球將受到SSI上活動區域的影響。因此,太陽旋轉(27天)將引起一個相對于地球的活動區域的位移,所以SSI會隨著該周期性而發生改變。這就是對流層上方的地球大氣參數(例如,溫度、組成)呈現出27天變異性的原因。

因為太陽周期一直在變化,因此考慮SSI關于時間的變化性時重點關注太陽、大氣和氣候物理學,這就是為什么時間序列是太陽任務的關鍵目標。多個任務都提供了EUVUV光譜域的數據。由于重疊測量顯示EUVUV都存在一些差異,發展SSI的模擬,主要用于以下兩個目的:

?不同的技術事件有時會中斷時間序列,特別是UVEUV的測量會經受老化影響。此外,即使同時測量的結果可能由于相互不確定性的存在而不一致。

?氣候建模通常需要在獲得首個現存時間序列之前得到TSISSI

這些模擬經常被稱為“重建”。重建主要基于利用一組利用太陽參量(太陽黑子數、宇宙同位素濃度變化等)的理論或經驗或半經驗的方法。模擬的TSISSI在高低太陽活動周期中使用現代數據進行驗證是有效的,然而,由于過去沒有測量,對過去時期的驗證和準確性評估變得困難。

由于存在多個過去重建的SSITSI,,在絕對值和變化性方面對它們進行比較變得非常重要,如果不同結果之間具有一致性可以支持重建的可信度。最近,我們也進行了廣泛的比較,使用的數據集包括幾組SOLSPEC數據。使用的重建如下:

?MOCASSIM

?MGNM

?NRLSSI

?SATIRE

?SEA

分析表明,每個模型的光譜特性在任何時期保持不變,僅在變異性和絕對SSI方面會存在不同。圖13展示了對1893年的不同預測結果。

光譜特征(例如,高于280nm的用“+”進行標記)在相關模型中存在特異性,因為這種特異性在任一年份都會存在。一般來說,重建之間的一致性在10%的量級,而且取決于太陽活動的水平。考慮到所采用的參量的性質,我們通常在高太陽活動條件下能找到更好的重建一致性。對于某一年中的數據,在重建中所使用的參量可能會產生獨特的效果,例如某年中存在的紫外波段(細線)的低SSI,但在另一年(例如,1781年)中不存在,就可以證實這一點。

重建可能會被用于氣體建模,為了評估不同重建之間的差異性,我們使用加拿大CMAN氣候模型計算赤道處的太陽加熱。正如所預期的,結果存在著一定差異。在五組重建中,最大的差異大于自然變化率,這通過改變每個模型中太陽活動的水平可以獲得類似的結果。

短期模擬對于檢測重建的質量也是有意義的。在201212月,一方面,多個光譜儀(機載在SORCESOLSTICE,機載在ISS上的SOLSPECSOLACES,機載在PICARD上的PREMOS)同時收集了SSI數據;另一方面,這個時間段內的多個重建也可以獲得。考慮到太陽旋轉,SSI呈現出關于一天的變化函數。圖14顯示了由SolACES測量的EUV SSI

 

13. 不同模型對1893年預測的比較

 

14.  EUV域中不同光譜范圍內的SolACES測量

 

15. 215nm處的SSI的變化適應于由四個模型預測的在第350天的平均輻照度,并與在215nmPRIMOS的測量進行對比

 

最大和最小EUV SSI天數的模擬與測量結果是一致的;我們發現,從模擬的SSI導出的變化性(在太陽旋轉期間的最大與最小SSI之比)接近或大于觀察值(約1.3)。然而,模擬的絕對SSI需要適用于所測量的SSI

UV域中,我們使用了與上述相同的模型,除了SEACOSIR替代(因為COSIR更適合于短期預測)。絕對SSI預測相差10%(最低SSI與最高SSI預測值之比)。為了比較由太陽旋轉引起的預測變化性,我們計算它們在第350天的平均值以建立圖15。此圖顯示:

?所有模型預測最小和最大發生在同一天,

?通常所有模型所發現的最大與最小輻照度的比值與觀察值保持一致(約1.01)。

正如所預期的,短時間重建相比長期可提供更一致的結果。可能這是由于在這些工作中采用的參量具有更高的準確性。然而,如圖15所示,在某個周期的模擬值存在與其他周期的差異(對于長期模擬而言),這是取決于在這些建模中所使用的參量的組合和/或參量的準確性。關于這方面的工作還研究之中。

 

9 結論

在空間環境中存在不同的儀器老化來源。太陽光子本身就具有使光學器件、檢測器老化以及促使顆粒沉淀的能力。正是由于這些自然原因,軌道平臺和儀器本身的污染為儀器的測量增加了更多的困難。為此,我們參考相對輻照度來實施不同的技術,當然這些技術也受老化的影響。應對策略可包括通過火箭運載雙儀器和在連續測量任務中設計重疊測量。SOLAR使用兩種不同的技術:SOLSPEC通過使用不同類型的燈,SolACES通過利用不同氣體吸收太陽光子,這將為中層大氣、熱層-電離層研究敞開空間天氣和導航應用的大門。

空間實驗自開始以來就存在著不同的困難。根據經驗教訓,我們找到了一些解決辦法。然而,空間老化仍然是長期困擾SSI測量的關鍵問題。我們已經證明了,SOLAR利用氣體吸收太陽光子和SOLSPEC使用一組燈的概念是正確的。另外,這兩種儀器還可以無難度的運行在新場景中以研究不可預見的情況(例如CPD偏移)。在這一點上,B-USOCESA SOLAR的管理為任務的成功做出了重大貢獻。

然而,SOLAR團隊還開發了一種與這種儀器效果并行的建模活動,這種基于不同太陽參量的建模,引發了有意思的觀點。由于這些模型中的絕大多數使用了參量的組合,而每個參量又具有各自特定的精度,此外,每個模型在模擬SSI方面能力有限,因而難以保證模型的準確性。通過對不同模型進行比較修正,長期和短期的差異可保持在10%的量級,該模型的首要用途將是對過去氣候的重建。SSI的時間序列也會變得更加準確,我們將其用于驗證模型,會使SSI預測準確度得到顯著改進。此外,對所選氣輝、極光發射、包含的總電子和微小大氣成分的監測也是對驗證的有效補??充。

我們預期建模、新儀器和測量方法將導致SSI絕對值及其變化性的重建精度得到顯著的提高。

基于目前的情況,基于SORCESOLAR-ISSSDO(正在進行中)所獲取的EUV / UV-SSI數據記錄已經超過了一個太陽周期。應該強調的是,將所有可用數據合并為一個集合,可作為供科學界和企業界使用的驗證集合。第十屆TIGER研討會和SOLID為討論這些相關問題提供了很好的平臺。

 

參考文獻

Gérard O. Thuillier and Gerhard Schmidtke, Optical Payload onboard the International Space Station for Solar Spectral Irradiance Measurements, In: Optical Payloads for Space Missions, First Edition. Edited by Shen-En Qian. Published 2016 by John Wiley & Sons, Ltd.

劉艷 編譯 張偉 校對

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