日歐聯合開發的、旨在準確預測氣候變遷的觀測人造衛星「白龍（EarthCARE）」發射成功。這顆人造衛星透過搭載的四種觀測設備統合工作，分析大氣中的雲粒和微粒狀況，以及雲層的空間結構和形成機制。其中，日本開發了一種用於詳細研究雲層空間結構的雷達。作爲全球首個能夠捕捉雲層顆粒和雨粒垂直度方向速度的人造衛星雷達，該設備頗受期待。
「白龍」飛行示意圖（供圖：ESA、ATG媒體實驗室）
「御水神獸」翱翔太空
「白龍」人造衛星在太空中展開太陽能電池板和天線後，全長17.2米，重2.3噸。它將在高度400公里的軌道上沿南北方向以90分鐘一週的速度繞地飛行，用25天時間覆蓋整個地表。設計壽命爲3年。它搭乘美國SpaceX公司的大型火箭「獵鷹9」，於5月29日從加利福尼亞州的范登堡空軍基地成功發射。歐洲航太局（ESA）在德國的管控設施中對其進行操作，觀測資料將透過意大利的ESA設施和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）提供給日本國内的研究人員。
EarthCARE的名字來源於英文單詞「Earth」（地球）和「Cloud Aerosol and Radiation Explorer」即雲、微粒子（氣溶膠）和輻射探測器的首字母組合，意指「護衛地球的觀測」。「白龍」是JAXA於4月發佈的日文名稱，因爲人造衛星主體爲白色，太陽能電池板看起來像細長的尾巴，所以被比作想像中的生物「白龍」。JAXA解釋道：「龍被認爲是掌管水的神獸，符合揭示大氣機制的目的。‘白龍’能快速飛行，也符合高速環行的人造衛星形象。」
理解雲的立體構造是課題
現在人類對氣候變遷的預測是透過電腦模擬進行的，但實則人類尚未完全理解相關現象，因此氣候預測還存在較大的不確定性。其中最主要的終極因數是雲和微粒的效應。雲具有吸收地表散發的熱量並將部分熱量反射回地表從而讓地球升溫的效果，同時也有反射太陽光的效果。這種 「輻射收支」的能量均衡會直接影響大氣的溫度，同時還涉及雲的厚度、高度、雲粒大小、形狀和水分含量等。此外，微粒子的存在對雲的性質有較大影響，並影響雲對太陽光的反射和吸收程度。
輻射收支概要圖。太陽光和地表發出的熱量均衡會影響大氣溫度，而云和微粒子對該平衡有很大影響（供圖：ESA和ATG媒體實驗室）
然而，過去很難高精度觀測雲粒和微粒，導致雲内現象的機制未完全得到闡明。比如，氣象衛星「向日葵」只能觀測雲的上端，而無法探測其内部的空間結構。此外，地面觀測的方式也無法觀測覆蓋整個地球的雲層。而「白龍」將嘗試全球範圍内觀測雲和微粒，特別是透過收集垂直度方向的運動資訊，來幫助解明雲層對氣候的影響。
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2021～2022年發佈的第六次評估報告中提出，多個預測方案顯示，在假定溫室氣體排放較多的條件下，2081～2100年全球平均大氣溫度將比1850～1900年擧升2.8～4.6攝氏度。此外，大氣溫度升高還將導致陸地降水量增加、北極浮冰減量、海平面擧升等。而這些預測結果中，氣候模式間的誤差可能成爲精度的制約。
類比計算和觀測資料相結合
從影響氣候變遷的因素來看，二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）等溫室氣體的預測誤差較小。相比之下，微粒以及微粒與雲的相輔作用由於其詳細機制尚未解明，誤差仍然較大。希望透過「白龍」人造衛星的觀測能詳細瞭解它們的作用機制，從而提高預測精度。
超級計算機「富嶽」（供圖：理化學研究所）
爲了預測氣候變遷和氣象，結合觀測資料與利用超級計算機進行的數值類比模式具有重要意義。東京大學大氣海洋研究所「白龍」團隊的佐藤正樹教授（氣象學與大氣科學）表示：「日本的強項是利用（世界頂級的）超級計算機‘富嶽’等進行數值模式分析。大家對這顆人造衛星寄予厚望，希望它能透過觀測資料修正模式中的降雨和雲層的情況。它將有助於監測和類比如短時集中暴雨和颱風等極端氣候現象。」
此外，透過結合觀測資料和數值模式，構建「地球數位孿生」，將來我們可以向生成式AI（人工智慧）提出與氣象和氣候相關的問題，而AI也能夠準確回答。
史上首次在人造衛星上進行「多普勒測量」
「白龍」在軌道上運行時將同時使用四種設備進行觀測，最後會將資料結合起來生成觀測成果。
其中，日本負責的設備是觀測雲分佈和結構的「雲剖面雷達（CPR：Cloud Profiling Radar）」，由JAXA和資訊通訊研究機構（NICT）聯合進行技術開發，NEC設計製造。CPR發射電波，並接收從雲中反射回來的電波，從而捕捉雲粒的大小、水分量和雲的空間結構。該設備在歷史上首次利用「多普勒速度測量」測量雲粒和雨粒的擧升和下降速度，揭示雲内部的動態。
在多普勒速度測量中，雲粒和雨粒從以每秒7公里速度行程的人造衛星遠離（即下降）時，反射回來的電波頻率低於原始電波；相反，當它們接近人造衛星（即擧升）時，頻率更高。CPR精確捕捉這些變化，計算出雲粒和雨粒的「多普勒速度」。特別是雲中的擧升氣流與雲粒生成有關，CPR將有助於人們理解雲的生成程序。
之前的人造衛星雷達雖然也有類似功能，但缺乏多普勒速度測量功能，無法捕捉垂直度方向的運動。
透過CPR進行多普勒速度測量。反彈回來（反向散射）的電波頻率取決於雲粒或雨粒是下落還是擧升（供圖：JAXA）
JAXA的專案經理富田英一表示，CPR的高靈敏度主要透過兩項技術實施。一是將衛星軌道高度降低至400公里，靠近地表運行。二是開發了直徑2.5米的大型天線。他表示：「在以每秒7公里速度飛行的人造衛星上測量每秒垂直度方向僅2～8米的速度是非常困難的。天線的方向稍有偏差，人造衛星速度就會影響測量結果。」爲此，研究人員開發了不易受熱變形的天線，並且還開發了能高速重複發射脈衝的發射器，程序中會使用比普通降雨雷達波長短10倍的3.2毫米的電波。
日歐合作提高智慧
剩下的三臺設備由歐洲開發。「大氣激光達（ATLID）」觀測CPR無法覆蓋的小微粒和薄雲。CPR等雷達使用電波的雷達不同，ATLID則使用雷射光束。此外，還有搭載了用於觀測雲和微粒水平分布的「多光譜成像儀（MSI）」和捕捉大氣上端輻射收支的「寬頻輻射計（BBR）」。
ESA的專案經理迪爾克·伯納特表示：「人造衛星進入軌道3個月後開始觀測，半年後向全球科學團隊提供所有資料。特別是日歐團隊將獲得非常高質量且有意義的資料，並進一步深化研究。」
「白龍」的開發費用，JAXA爲83億日元，包括CPR開發和地面系統建設費用，NICT未公開。ESA包括發射費用在内規模約8億歐元（按當前匯率約1350億日元）。這是日歐首次共同開發地球觀測人造衛星。
「白龍」利用四種觀測設備聯合觀測的示意圖（供圖：ESA和ATG媒體實驗室）
能否「抓住雲朵」？成果令人期待
CPR的開發始於2007年，原計劃2013年發射，但多次推遲。富田回顧道：「日歐分別進行了具有挑戰性的感測器開發。CPR需要從高速飛行的人造衛星上測量雲的速度。此外，還爲因應故障採取了冗餘配置，準備第二個發射器時花費了時間。歐洲的激光達因大功率發射器開發難度大，耗時較長。」
將CPR安裝到人造衛星上的作業（攝於2017年6月德國南部的腓特烈港，供圖：空中巴士公司）
人造衛星搭載的火箭也被多次更換。原計劃人造衛星由歐洲阿麗亞娜空間公司使用俄羅斯開發的大型火箭「聯盟號」從南美洲法屬圭亞那發射，但由於2022年2月俄羅斯攻打烏克蘭，導致該公司的「聯盟號」發射被叫停。後更改爲新型火箭「維加C」，但因其二號機發射失敗，最終更換爲其競爭對手的「獵鷹9號」火箭發射。全球火箭短缺的嚴重情況也影響到了該計劃。
佐藤在發射前表示：「對我這個參與這個計劃18年的人來說，這是一次期待已久的發射。雖然歷時較長但因爲數值模式得到了高度隊形變換，所以發射時機很好，爲此感慨良多。」
日語中有句慣用語「雲をつかむような話」，類似於中文的「拿雲握霧」，通常意味着事情模糊難捉摸，但對「白龍」而言恰恰相反。人們期待透過精細的觀測研究，能得到「抓住雲朵」般生動的氣候變遷預測。
原文：草下健夫／JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關鏈結】
• JAXA「EarthCARE/CPR專題網站」
• ESA「earthcare, ESA's cloud and aerosol mission」（英文）
