空间物理与空间环境 |
用于太阳光谱辐射度测量的国际空间站光学载荷
1 引言 1.1 SOLAR科学目标 SOLAR的基本任务有三个：太阳、气候和大气物理。 从千年的尺度来看，气候变化主要源于在大气中产生尘埃的太阳活动、温室气体浓度和火山活动，这三种输入彼此并不相关，但它们的组合可以产生不同类型的气候。 总太阳辐照（total solar irradiance，TSI）呈现的变化与11年太阳活动周期相关，其变化的振幅比0.1%略微更大（例如太阳周期19）或更低（例如太阳周期14或24）。气候模拟结果显示的影响小于观测值，并且模拟显示气候的响应可能会持续几十年。这种缓慢的气候响应与冰芯数据表明的快速气候转变观点相矛盾。因此，人们一直在寻找一种能够加速气候变化的机制。有些文献中考虑了平流层和对流层之间的动力耦合，但这需要知道紫外（ultraviolet，UV）波段太阳光谱辐照度（spectral solar irradiance，SSI）的变化率及其绝对值。如果能提供可靠的输入参数，如尘埃含量、大气中的温室气体浓度、以及所模拟的百年尺度内的太阳总的光谱辐照度，气候模型能够模拟出过去时期的情况。因为在模拟的时间段里没有进行过太阳测量，因此需要对太阳的输入进行重建。 行星的大气性质（温度、组成和动力学）是由太阳输入决定的，输入是波长的函数。让我们考虑下地球大气的情况。在行星大气中起作用的光化学过程是电离、吸收、光解离，荧光和重组。这些反应引发许多化学反应，导致能够吸收其它太阳波长的新物种的产生。典型的实例是分子氧的解离，其受到臭氧形成和平流层的正温度梯度复合的牵引。另外，这些区域的很多物理过程也与气溶胶有关。波长在280-450nm范围内的太阳光子被臭氧和一氧化氮部分吸收。在100-280nm的光谱域中，吸收量是海拔的函数，最高海拔可达80km，高于这个海拔时，波长短于100nm的光子通过产生电离层起到更重要的作用，太阳活动和颗粒沉淀剧烈时，热电离层的温度可能高于1500K。 在太阳物理学领域，SSI测量在验证和推进太阳大气模型中起着重要作用。从物种列表、温度分布、由磁力图所描述的磁场活动水平以及其他参量，我们可以获得一个理论上的SSI值。 其具备以下用途： •重建过去的SSI用于气候模型运行（例如，Maunder和Dalton最小值等）。 •生成时间序列，原则上没有数据空白，但如果存在数据空白，需要进行验证。 时间序列可以被重建为一般参数系列，其比SSI现代测量有更少的中断，可以在首次SSI测量之前生成，也避免了SSI的老化修正，因此具有一定价值。最准确的SSI的时间序列需要及时地扩展以研究长期和短期变化。
1.2太空中光谱辐照度测量 随着“臭氧空洞”的发现，更需要准确测量SSI，这导致了一系列仪器的产生，具体如下： •国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）航天器上机载的太阳反向散射紫外线（Solar Backscatter UltraViolet，SBUV ）， •上层大气实验卫星（Upper Atmosphere Research Satellite，UARS）机载的太阳紫外光谱辐照度监测器（Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor，SUSIM ）和SOLAR STEllar紫外波段的辐照度比较实验（SOLar STEllar Irradiance Comparison Experiment，SOLSTICE ）， •三个应用与科学大气实验室（Atmospheric Laboratory for Applications and Science，ATLAS）任务机载的全波段的SOLAR SPECtrum（SOLSPEC），SSBUV（SBUV的副本）和SUSIM（SUSIM-UARS的副本）任务。 长时间序列显示仪器出现了老化。为了减小老化的影响，科学家们也提出了一些解决办法，主要基于使用内部校准灯、电离室（ionization chamber，IC）、稳定恒星辐照度参考、双仪器相互比对和双仪器火箭飞行。此外，气候模型的发展已经表明，需要将测量的光谱域（Lyα通常到410nm）向极紫外（extreme ultraviolet，EUV）以及和向可见光红外波段扩展。以下就是开发测量EUV光谱和UV到IR光谱的新一代太阳仪器的原因： •扫描成像吸收光谱仪可用于大气探测（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CHartograpY，SCIAMACHY）， •太阳辐射和气候实验（SORCE）上的SOLSTICE和光谱辐照度监测器（SIM）， •SOLAR SPECtrum（SOLSPEC）， •太阳自动校准EUV / UV光谱仪（SolACES）。 EUV和UV光谱仪对由航天器/平台环境或仪器光学部件上的表面沉积污染物所引起的老化高度敏感。当有机污染物暴露于EUV时，它们将被分馏和热解，这尤其会在光学仪器表面上留下碳层。碳对EUV和UV光具有强吸收能力，会吸收短波长的太阳光子。即使在没有污染的情况下，高能量的EUV辐射也会改变光学部件特性（透射、反射率、检测器效率），导致仪器效率出现不可预测的变化。这就是在空间仪器中设计不同解决方案的原因。SolACES利用了 EUV光谱仪的新型设计，可以通过仪器的重复校准克服空间老化的问题。 热层电离层模拟、空间天气预报和天基导航的若干应用对EUV SSI监测的需求快速增长，亟待出现一种能协调全球资源的新方法。这是常规TIGER-COSPAR研讨会讨论的热层电离层陆界研究（Thermospheric-Ionospheric GEospheric Research，TIGER）中的主题。已提出的一种解决方案是开发低成本EUV传感器的一种组合来进行交叉校准，其通过在空间中操作的精确校准的仪器来实现。此外，欧洲委员会第七框架计划（Seventh Framework Programme，FP7）下的第一个欧洲太阳辐照数据开发（SOLar Irradiance Data Exploitation，SOLID）旨在召集国际SSI团体来产生短期和长期变化的准确时间序列。 然后，覆盖EUV域的几个任务被提出来，它们分别是： •热层电离层中层能量和动力学（Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics，TIMED）， •太阳日球观测站（Solar Heliospheric Observatory，SoHO）， •机载自主项目（PROBA-2）， •太阳（SOLAR）， •太阳动力学观测站（SDO，EVE）。 对于UV-VIS，对绝对尺度精度的需求正在增长，然而，在长期可变性测量中仍然存在着一些困难（SIM / SORCE在周期23结束时与SUSIM观察和建模存在着不一致）。
2 SOLAR-ISS机载仪器 2.1仪器选型 1996年12月，欧空局发布了在国际空间站（International Space Station，ISS）上计划18个月的任务飞行机会的公告。在世界范围内公布ISS外部安装有效载荷机会（SP-1201）之后，欧空局微重力和空间站利用部选用了三种仪器。这三个选定的仪器是： •太阳活动辐照度监测器（SOlar Variability Irradiance Monitor，SOVIM） •太阳自动校准EUV / UV光谱仪（Solar Auto-Calibrating EUV/UV Spectrometers，SolACES） •太阳光谱仪（Solar Spectrum，SOLSPEC）。 这三种仪器构成的有效载荷，并且被命名为SOLAR，部署在ISS上。该选择是基于每个仪器的科学目标、它们的相互完整性、以及在轨道上进行精确测量的能力。这些仪器是由三个欧洲国家的三个组织负责制定的，即物理测量技术观测站达沃斯/世界辐射中心（瑞士）、夫琅和费物理测量技术研究所（德国）和进行大气实验、环境观测的法国中央国立科学研究机构（法国）。
2.2仪器安装 这三种仪器安装在指向平台（图1）上，以便在每个轨道上有大约20分钟可跟踪太阳。尽管ISS在一度内的移动精度为一到三毫分，这个称为粗略指向装置（Coarse Pointing Device，CPD）的平台允许对太阳进行观察。几经延误，这些仪器终于在2008年2月7日被发射升空，那时非常接近最少太阳活动时期。因此主要的测量集中在最少太阳活动期和周期24的上升阶段。最后，SOLAR有效负载在周期23-24之间的最少太阳活动期以及周期24的上升阶段进行SSI测量，而未在周期23的下降阶段测量。 CPD可以跟踪太阳，然而，由于技术限制和对季节的依赖性，其每月的跟踪时间从15天到24天不等。最长的太阳观察是在二至点（夏至和冬至）实现的。在2012年12月，ISS有一个轻微的姿态改变，这可以实现对太阳的连续观察。这一机会允许通过SolACES和SOLSPEC全方位观察太阳旋转对SSI的影响，相应的结果将在第8.3.2节中显示（图14和15）。
图1. 在哥伦布模块的末端，安装了粗略指向系统（Coarse Pointing System，CPD），其上安装了三个仪器SolACES，SOLSPEC和SOVIM。CPD与ISS运动无关，总是指向太阳。（归功于ESA）
2.3 SOLSPEC光谱仪 SOLSPEC由三个光谱仪组成，每个光谱仪分别用于测量紫外光、可见光和红外（infrared，IR）太阳辐照度。SOLSPEC还包括一组灯，用于监测仪器老化、波长大小和光谱仪狭缝功能。每个光谱仪由使用Jobin-Yvon制造的全息光栅的双单色仪构成（图2）。 六个光栅被封装在使用步进电机进行旋转的单件机械轴上，其精度相当于0.01nm的光谱分辨率。二阶和衰减滤波片被放置在光路上，其位置与光栅步数（即波长）相关。每个光谱仪的入口由石英扩散器制成，用以减少对太阳视线的信号依赖性。 为了防止由三个光学口进入的EUV所产生的老化，在轮子上设置了可移动的石英板和孔。每个通道使用两块板，一块用于常规用途，另一块是备用单元，每月只使用一次，这让我们能够测量其传输的比率。绝对透射率通过将光学入口的板移除来进行测量，此操作每六个月进行一次。 装在紫外光光谱仪的两个氘灯和装在可见光和红外光光谱仪的两个钨带灯可以对三个光谱仪响应度进行飞行监视。空心阴极灯提供了谱线，主要用于飞行测量，确定出狭缝函数和色散定律（光栅步数和测量波长之间的关系）。这些谱线是铜、锌和氩气的谱线，波长在200~800nm的波段范围内（由灯内的填充气体激发），可以覆盖紫外和可见光谱仪的光谱范围。图3显示了谱线分布与波长之间的函数关系。
图2. 单个光谱仪的原理图。三个光谱仪具有公共旋转轴（虚线标识），允许在11分钟内测量从170nm至3000nm的太阳光谱辐照度
图3. 左图和右图分别显示了紫外光和可见光光谱仪捕获的谱线。大多数金属源谱线在紫外光波段，而大多数气体源谱线在可见光波段
SOLSPEC配备有太阳传感器，其作用是提供太阳在视场中的空间位置信息。它主要用于以下两种情况： •在不要求指向轨道的情况下，视野中的太阳位置可能偏离，尤其是发射后，例如可能偏离1~2个弧度，（参见第6.2.1节）。 •由于光谱仪的响应度一般取决于源位置，因此，知晓太阳在仪器视场中的位置就显得尤为重要。这被称为平场效应，我们可通过太阳传感器测量太阳位置来获得该效应。第6.2.1节将讲述如何测量这种效应。 表1总结了SOLSPEC仪器的特性。
2.4 SolACES光谱仪 尽管在EUV领域已经有50多年的研究历史，EUV / UV仪器的校准仍然是一个困难的问题。由于仪器光学部件的连续老化，导致入射EUV / UV光子转换为记录信号的效率发生变化。此外，仍存在由污染、EUV辐射本身以及其他表面变化（例如在真空环境和宇宙射线中产生的那些变化）所引起的众多不同效应。尽管实验室中建立的校准程序已达到几个百分点的精度水平，但在空间中重新校准EUV仪器时，仍需考虑对老化源的影响。 表1 SOLSPEC仪器在飞向国际空间站时的特征
文献中提出了一种能在空间中进行飞行校准的太阳EUV / UV测量方法，文献作者与俄罗斯代表进行了讨论，欲在MIR轨道空间站上应用这种方法，但可能无法实现。该校准方法如图4所示。太阳辐射经过一个带有平面光栅几何结构的单色仪后变成近乎单色的光子通量，将由作为主要检测器标准的电离室（ionization chamber，IC）对其进行探测。因此，在移除校准检测器之后，事先确定的已知的单色光子通量进入光谱仪，后者将给出其校准结果。对于不同波长重复该过程，我们可以得到一个关于时间的函数，在有必要时，光谱仪将被重新校准。 SolACES EUV / UV光谱仪所采用的校准方法也是基于该电离室技术。现选择窄带通滤波器替代以前所使用的单色仪来选择太阳光谱的子范围。它们的透射率会被反复确认。由相应滤光器所选择出的EUV / UV SSI的一部分将在电离室中被吸收，其中EUV / UV光子根据波长产生一组不变数目的离子-电子对。 相对于图4中的双室而言，SolACES中所使用的电离室已得到了很大改进。在电离室的末端设有一个EUV / UV光电二极管。它检测在电离室中未被吸收的剩余光子通量，并产生离子-电子通量。由于电场条件和在它们的分离（光子能量－功函数=最小热力学功，即从一个原子中移走一个电子所需的能量）过程中所接收的光电子的过量能量，更高能量的光子将生成二次离子-电子对，加载到双电离室中的两个测量电流中。而由EUV / UV光电二极管所产生的第三种电流不受二次进程的阻碍。因而它提供了一个方法，可用于交叉检查双电流测量的结果。 SolACES是首个具备在轨重复校准能力的仪器。它提供约10%的辐射度测量精度，允许在将来根据波长有3-5%水平的改进空间。SolACES包括四个高辐射通量输入的平面光栅光谱仪，使得探测器在所有波长范围内产生超过每秒105次的计数率（见图5）。诸如He（4nm）这样的强发射将在每秒产生超过107个计数。检测器是开放通道倍增器，光谱范围高至150nm。不幸的是，由于涂有碘化铯涂层密封的通道倍增器的性能衰退，光谱仪4对高至220nm的光谱范围的检测也会出现退化，最终将在发射之后失效。因此，测量的光谱范围将从16-220nm缩小到16-150nm。三个光谱仪的光谱分辨率范围为0.5到1.8nm。
图4. EUV光谱仪飞行中校准的仪器布置
图5. 分别在重叠域16-65nm（光谱仪S1），32-100nm（光谱仪S2）和40-150nm（光谱仪S3）中测量的EUV光谱仪S1，S2，S3的SolACES计数率
图6. SolACES概述（质量：23.0 kg；尺寸：25×29×60 cm3；电力消耗：25W平均和60W峰值；数据速率：~1.0 kbit / s）
除了光谱仪之外，还有两个三路信号的电离室被用作在轨校准的主要检测器标准。对于每个校准测量，我们从覆盖感兴趣的光谱范围的42个滤波器中选择10nm至20nm的不同带通滤波器。此外，我们用过滤器密封电离室，其中的气体是Ne、Xe和/或90%Xe和10%NO的混合物，每次测量时，压力从零增加到太阳EUV / UV输入的总吸收压力，并逐渐填充电离室。 SolACES组件的示意图如图6所示。 当SOLAR指向太阳时，太阳辐射将进入仪器中。将打开孔径或将滤光器置于光谱仪的入口处，由滤光器转盘进行控制。滤光转盘总共有48个空位。 图7为校准测量的示意图和太阳光谱辐照度数据。 为了防止在高电压下供电出现冠状放电，光谱仪或电离室的记录不能同时进行。光谱仪S1-S3并行操作，此时太阳光通量Φ无衰减，可利用插入式滤波器对光通量进行衰减。相应的信号分别表示为cps和cpsT（见图7的左侧）。根据这些数据，我们测量得到相应滤波器下的透射率T。将滤波器放置在电离室记录三路电流，根据气体压力和波长光吸收截面来模拟EUV / UV光子的吸收，以确定出进入腔室的光子通量ΦT。考虑到不同滤波器的透过率，我们通过将EUV / UV SSI的间隔进行彼此相加，以此确定出太阳辐照度。
图7. 光谱记录、电离室测量和不同光谱间隔的SSI数据测定的示意图 3仪器校准 3.1 SOLSPEC光谱仪 3.1.1实验室校准 有几个仪器特性需要在发射前进行准确测量： •光谱仪色散法，带宽和每个光谱仪的光谱特性的稳定性， •光谱仪杂散光， •视场确定和平场效应， •信号的线性与源强度关系， •内部灯光谱， •反平方律验证， •绝对响应。 下面仅描述最重要的实验室校准项目。
图8. 用Zn I（213.86nm）线测量的UV光谱仪典型UV光谱仪带通。在50％处最大透射率（FWHM）的光谱宽度为1.63nm 表2 每个光谱仪SOLSPEC带宽和波长之间的关系
3.1.1.1光谱仪色散法和带宽 每个光谱仪的波长刻度与光栅位置相关，因此也与旋转光栅外壳的步进电机的性能以及机械扫描的再现性有关。我们使用几个光谱灯在UV和可见光中发射的谱线来测量色散定律和带宽。我们使用了一个氦氖激光器（632 nm）作为红外光光谱仪，在去除二阶滤波器后，该激光器可以工作在5级。 对于UV，VIS和IR光谱仪，波长扫描稳定性分别为0.004nm、0.01nm和0.05nm。利用机载空心阴极灯的测量，我们可在轨道中确定出光谱仪的光谱特性（图8）。 利用仪器空心阴极灯和其它气体灯进行类似的测量，可以建立起光栅位置（由光栅步进数给出）和波长之间的关系，以及每个相应波长的光谱宽度。光谱仪带宽参见表2。 在太空中，我们也使用仪器空心阴极灯进行相同类型的验证/校准。但由于六个光栅是在一起旋转的，对紫外和可见光谱仪的校准也能推导出红外光谱仪的光谱特性。
3.1.1.2视场和平场效应 大多数光学仪器的响应度依赖其视场内的源位置，典型的依赖性是每偏离轴1度变化为2%。由于在地面上进行的绝对校准使用与光轴上平行的光源，因此必须对平场效应进行测量。这些测量是通过移动每个光谱仪前面的点源实现的。通常，由于太阳辐照度和存在散射光，对于弱源，假定所需精度需要优于百分之一，其测量将变得极其困难。正是由于这两个原因，在特殊操作期间，我们将在空间中测量平场效应（见第6.2.1节）。
3.1.1.3绝对校准 我们选择黑体（BB）辐射器作为光谱辐照度校准的主要标准源。联邦物理技术署（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）使用BB3200pg系列黑体，通过普朗克定律确定光学仪器的绝对响应。 黑体的主要部分是由堆叠的热解石墨环组成的空腔，压在一起并通过电流进行加热。该腔的有效发射率优于0.999。在最高温度3200K下空腔的寿命约为100小时，在3000K时，其温度稳定性为0.40K。由于在该光谱范围内BB的低辐照度，其辐照度覆盖了SOLSPEC的大部分光谱域，而波长低于200nm的除外。为此，我们使用紫外波段的特定亮源，如采用通过PTB校准的氘灯，来将绝对校准降至170nm。 在给定波长处，假使光谱仪（紫外光，可见光或红外光）产生信号S（λ），黑体的温度为T，可通过普朗克定律计算其发射率E（T，λ），校准系数则为E（T，λ）/ S（λ）。我们通常将记录在相同波长下的多次测量求平均，以改善信噪比以及探测器暗电流影响。由于我们已经验证了仪器的线性度，太阳信号（远大于在校准期间获得的信号）允许我们可以使用校准系数来计算太阳辐射。表3显示了地基校准的精度。 特别需要注意的是，由于空间环境（材料沉积、颗粒等）的作用，轨道上仪器的老化会经常发生。我们通过几种方法校正这些老化，常用的是使用机载灯的方式。然而，由于这些灯不具有太阳的亮度，并且也会发生老化，因此在SOLSPEC中放置两个单元的钨灯和氘灯，两种灯具有不同的操作物理环境。目前，鉴于SSI测量所需的精度，对空间太阳仪器的老化校正仍然是目前任务的关键问题之一。
3.2 SolACES仪器校准 校准的基本原理是通过使用电离室作为主要检测器标准来定量地确定近乎单色的光子通量。 在移除校准检测器之后，已知的单色光子通量进入光谱仪，并对其进行校准。我们对不同的波长重复该过程，以此来校准光谱仪。在去掉单色仪和电离室之后，太阳光子通量进入校准好的光谱仪。在SolACES中，每个滤波器都将过滤出窄带太阳光子通量。所有滤波器加在一起将覆盖全部EUV / UV范围。 表3 SOLSPEC地面校准的准确度
4仪器测试结果和在空间中的性能 4.1仪器测试结果 每个仪器在设计时，其每一项关键部件都将在热真空、机械环境（发射条件的模拟）和电磁环境中分别进行空间资质审核。 SolACES性能的热真空测试使用夫琅和费研究所的特殊腔室和柏林的BESSY II电子同步加速器进行评价。在SolACES测试室中，我们将使用空心阴极灯放电和氘光源。通过不同光源的使用，我们验证自校准方法的正确性。 此外，该仪器为内部交叉检查提供了许多可能性。滤光轮中的48孔位置承载了42个具有重叠波长范围的通带滤波器。例如，使用增加带通的四个不同Al / C滤波器测量16~55nm的波长范围，对IC的三个电流进行建模，提供了12种可用于交叉检查的可能性。通过用Ne和Xe填充电离室，又存在两个选择，由于它们电离极限的大约值分别为24.5eV和13.5eV，并且它们光子的吸收截面也不相同，因此，交叉检查的可能性可增加到24种。
4.2空间性能 仪器被发射到空间中后，最开始几周将用于放气，随后进入“调试阶段”，在该阶段将运行不同的测量序列，以检测仪器的健康状况。
4.2.1 SOLSPEC 对于SOLSPEC，我们需要先检查不同结构（光栅，百叶窗，过滤器轮）的位置，然后接通内部电源，记录下信号，并与在发射之前在地面所获得的信号进行一系列的比较。 主要遮板打开后，仪器记录下第一束太阳光谱。对于这些数据，仪器应用校准系数得到太阳光谱辐照度，以便与参考光谱进行比较。 我们发现，使用太阳和内部灯时IR光谱仪响应度差异约为5%。这种现象的原因尚未发现，然而，我们可以通过内部灯对仪器进行校正。 如下一节所示，飞行器停靠时SolACES响应度会暂时下降，而SOLSPEC并没出现类似的现象。
4.2.2 SolACES 在任务期间，飞行器因为不同的目的（支撑，设备，食物等）停靠在ISS， SolACES光谱仪由于受推进器耗尽材料所产生的污染的影响，会在几天至半个月的时期内出现效率变化，并且该变化可达到两个数量级。我们通过加热仪器实现信号恢复，采用上述方法还可以恢复仪器的原始性能。 信道倍增器也遭受着由累积电荷所引发的退化影响：当累积计数大于1010时，信道倍增器的效率可能会出现显著下降。结果表明，在储层中气体可用时，仪器是自校准的，并能够校正任何原因引起的老化，例如累积电荷、污染或其他类型。在撰写本章时，SolACES任务已经运行了五年，但仍然剩余一半的原始气体压力，因此，欧空局将该任务延长到2017年2月。
5数据系统 5.1 SOLSPEC光谱仪 1级处理过程提供的SSI是关于波长的函数，并且以工程单位给出。 2级数据以物理单位（W / m2 / nm）给出SSI，而不进行老化校正。 3级数据以物理单位给出SSI并进行老化校正。老化校正是大多数空间实验的关键问题，特别是在UV中。这些校正在可见光和红外波段中很容易实现。在紫外波段中，该工作还在进展中。在这一点上，重要的是要记住，UV精度要求约为2%，这也是需要实现的校正精度。
5.2 SolACES光谱仪 数据以1级至3级生成，波长范围在16-29nm区间的精度大约为10%，在30-100nm区间的大约为15%，在100-150nm区间的大约为 10%。这些级别通过光谱范围和时间段彼此区分： 1级数据是在2008年第100天到2010年第16天期间得到的，光谱范围在16-58nm，光谱分辨率在0.5nm至0.8nm范围 。SSI以绝对单位W / m2 / nm进行校准，并校正为一个天文单位。 2级数据是在2008年第100天到2010年第100天期间获得，具有与第1级相同的特征。 第3级数据是在2008年第100天到2014年期间获得，覆盖光谱范围在16-150nm，光谱分辨率在0.5nm至1.2nm范围。SSI以绝对单位W / m2 / nm进行校准，并校正为一个天文单位。由于仪器仍在运行，3级的数据集还未正式发布。从2008年到现在的数据集还处于测试阶段，将来也可用于电离层应用的研究。
6在轨操作 6.1 SOLAR仪器的常用操作 SOLAR仪器在地面操作时是集成在CPD上的。由于一些未知的原因，当SOLSPEC和SOVIM的太阳传感器进行测量时，整个系统在轨道上约有两度的偏离。我们使用太阳传感器有可能修正该异常，这主要是通过确定出最合适的设置来平衡三个仪器的视场范围。
6.2 SOLSPEC特定操作 6.2.1平场测量 如第3节所述，我们需要测量平场效应（仪器响应度随仪器视野内的源位置的变化）来校正SSI计算。 在轨道上，使用太阳作为源，由CPD提供仪器的慢旋转，仪器在选定波长下测量每个光谱仪的平场效应。因为该效应可以是波长依赖的，所以我们使用了数个波长。我们发现，平场与紫外和可见光谱仪的波长无关，但依赖于红外光谱仪的波长。我们对每个波长每隔15分钟测量一次。
6.2.2其它测量 我们每天使用机载灯进行校准。载荷中有两个钨丝和氘灯单元。对于日常操作，我们只使用一组灯，两组中的另一组使用频率较低，大约每15天用一次。空心阴极灯也被用来进行日常操作，每天扫描10条线，该源很少用于扫描由该灯覆盖的整个光谱域。 由于大多数灯会因为气体泄漏和/或表面变暗而老化，我们对曝光时间已经进行了相应的调整以保持标称的信噪比。
6.3解决具体操作 在轨操作主要适应测量的序列、科学计划以及仪器状态检查。
7在仪器设计和构建期间所获得的经验教训 7.1 SOLSPEC光谱仪 在ISS任务之前，SOLSPEC仪器装载在SpaceLab I，ATLAS 1，ATLAS 2，ATLAS 3和EURECA到空间中飞行了五次，通过工作在不同的环境获得了不同的经验教训。 灯的类型对每个光谱仪是特定的，因为共享灯通量将导致每个光谱仪的可用灯通量的降低。此外，法国为UARS调查机载WINDII开发了新型钨丝灯，用于SOLSPEC-ISS。我们类似地使用了源自SUSIM-UARS的新型氘灯。考虑到ISS平台的姿态变化，我们开发并使用了一个太阳传感器，这种太阳传感器允许我们调整最佳指向，尽管也存在由于一起集成导致的无法预料的偏离。另外，之前任务所获得的红外数据表明，我们有必要进一步提高红外光谱仪检测电子器件的性能。 一旦仪器进入完全工作，仪器需要使用大量的内部灯以及多个外部源。通过这样的测量，可使我们精确定义出每个源的曝光时间和空间观测的各种情景。
7.2 SolACES光谱仪 SolACES已经被证明能够满足空间中每日重复的自校准设备的要求，这是在EUV光谱领域进行了约50年的密集工作之后的真正提高。到目前为止，还没有其它公开的方法能成功克服空间老化的问题。 如果ISS上的SolACES仪器不变，通过增加光谱覆盖范围、选择更多的滤光片和选择更稳定的探测器，SSI EUV数据的精度仍可以得到进一步改善。
8 科学与应用 8.1 SOLSPEC光谱仪 8.1.1 SOLSPEC在NASA航天飞船和ESA EURECA平台上 SOLSPEC在1983年首次被装载在SpaceLab I上飞行，测量从200至358nm的UV光谱。一年后，SUSIM将机载在SpaceLab II飞行。这也是首次实现将两个独立设计和校准的UV光谱仪的一致性控制在3%范围内。 SOLSPEC计划包含了SSI测量，这与太阳活动密切相关。然而，航天飞机挑战者号的灾难打断了该计划，后来在ATLAS系列又重新恢复了该计划。ATLAS的任务是，由航天飞机携带SUSIM和SSBUV光谱仪分别在1992年3月、1993年4月和1994年11月进行三次飞行，每次为期10天。任务结束后，对每台仪器进行重新校准。作者比较了从同一平台收集并同时由三种不同仪器所探测的紫外数据，他们分析了不确定性的来源，最终使用了在2σ处存在3%的结果精度。 尽管SOLSPEC配备了IR光谱仪，但在ATLAS任务期间并没有获得可靠的IR测量结果。SOLSPEC被安装在一块金属板上，其预期温度约为20℃。然而，当太阳指向被激活时，其温度升高到约40℃，这使得IR精确测量变为更加不可能。为了冷却IR光谱仪使其保持在恒定温度，我们将它装在在EURECA平台上。 ATLAS Shuttle和EURECA任务提供的测量分别用于建立涉及高和低太阳活动的ATLAS 1和3的光谱。它们使用处于Ly α-200nm范围的的UARS / SUSIM和SOLSTICE数据，处于200-400nm的SSBUV、SUSIM和SOLSPEC / ATLAS数据，处于400-850nm的ATLAS-SOLSPEC数据，和处于800-2400nm的EURECA的数据进行复合。通过使用海德堡观测台的黑体辐射器和用SURF设备校准的NIST光谱辐照钨灯和氘灯，将ATLAS和EURECA光谱校准为绝对辐射度标度。 由于SIM在1000nm以上的光谱范围内存在一定程度上的不准确性，我们决定使用ATLAS 3的IR部分来产生从1000nm到2400nm的SORCE光谱，因为在该谱域下并没有出现预想的显著变化。
8.2 SolACES光谱仪 EUV / UV光学技术的最新改进为绝对光谱辐照度的估计提供了有用的数据比较。此外，半经验和理论EUV和UV建模的发展，不仅提高了精度，而且具备了能实现长期和短期的预测能力。下面将具体描述这些方面。 当处在太阳周期23到24的转变期间，太阳活动非常少，我们在2008年5月至6月的时间内收集了多个EUV SSI。在太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory，SDO）发射之前，NASA于2008年4月14日发射了一枚火箭，装载着EUV实验（EUV Experiment，EVE）仪器原型，以确保SDO上的EVE所测量的EUV绝对光谱辐照度的精度。从EVE火箭飞行获得的SSI、SORCE复合光谱（WHI、全日照日光辐射）与从ISS获得的SOLAR复合光谱（即EUV中的SolACES）是一致的，然而高于在太阳活动略大于该时期（见表4）时所获得的ATLAS 3数据。我们在特定的光谱范围内进行了详细的比较：在16-120nm的波长范围内，WHI和SolACES呈现出5%的差异；对于28-35nm的较短光谱域，差异可以增加到10%；这样的差异仍与仪器不确定性相匹配。在太阳光连续谱中可以发现更大的差异，这可以用信噪比和光谱仪杂散光来进行解释。 从16 nm-Ly α的ATLAS 3和SolACES测量值显示在图9上，可见SolACES SSI明显低于ATLAS 3。ATLAS 3 SSI在太阳周期21-22转变处的测量表明，2008年发生的SSI的最小值是自在空间中进行SSI测量以来的最小值。 表4太阳黑子数（Sunspots number，SSN），在10.7cm处的太阳无线电通量（F10.7），以及ATLAS 3与SOLAR 2008的极小镁II指标
图9. SolACES和ATLAS 3数据比对
图10. 来自SDO / EVE（数据处理的第4版本）和SolACES / SOLAR仪器的平均EUV数据集的示例，涵盖四个太阳旋转。两个数据集的精度均为10%
四个太阳旋转的SSI变化涵盖了SolACES和EVE / SDO测量结果，如图10所示。我们注意到，这些变化其实是同步的，在绝对尺度上是一致的。考虑到仪器在空间中的老化，生成时间序列是一个极具挑战性的任务。我们使用两个不同的仪器的方案，会产生多种可能。下面是一个例子。
图11. SolACES和EVE / SDO通量合并数据的一些选定波长域的示例，与从2012年11月到2013年1月四个太阳旋转的F10.7 cm指数（黑点）相比较。从顶部到底部分别为 C III（97.7nm）、Fe XII（25.63nm）、He II（25.63nm）、Ly β（102.57nm）、Fe XVI（33.54nm），He I
由于每个光谱仪随时间的退化程度不同，因此来自不同仪器的SSI数据在相同的记录时段需要彼此分开。为了提供一个已经验证的数据集，结合基于飞行前校准技术的SDO / EVE数据与基于飞行校准技术的SolACES数据，我们采用了一种不证自明的方法。对于16nm至31nm的光谱范围，两个数据集的平均值以日为基础表示为“组合”数据。对于该光谱域，我们以百分比计算彼此的每日平均偏差。图11给出了使用上述方法所获得的在四个太阳旋转期间的六个光谱域的变化。 我们注意到，由太阳旋转产生的辐照度调制的减少，是一个关于波长增加的函数，而它们保留了相位以及F10.7cm。这就解释了我们利用这个指数来进行EUV建模的原因。
8.3 SOLAR-ISS仪器 8.3.1 太阳活动最少时期 在太阳周期23至周期24之间的转变期间有一个异常的延伸，使得太阳周期24的开始比预期大致推迟两年。此外，TSI和SSI的测量显示，该最小值小于先前观察到的两个最小值。 在两个连续周期转变处的SSI最小值的准确测量非常重要，如下所述： •SSI最小值允许验证经验或理论的重建模型，特别是在低活动期时的气候预测。 •SSI最小值记录和准确校准可与下一个SSI最小值进行比较，以研究长期太阳活动。 •SSI最小值对大气物理学也很重要，以便预测例如次要成分浓度，并将结果与测量结果进行比较，从而验证大气模型。 •因为太阳活动随时间变化，它们存在低活动期，例如道尔顿最小值。再看该期间的可用参量，似乎2008年的最低值接近某些过去的时期，如1807年和1900年左右。 这就是为什么2008年观察到的非常低的SSI在几个领域中引起广泛兴趣的原因。使用来自SolACES和SOLSPEC的数据，我们已经在EUV和UV中搜索了SSI最小值出现的时间，发现它们是不同的：在EUV中，最小值发生在最近。我们发现在两个最小值之间大约存在一年的延迟。应该提醒的是，相对于在太阳黑子中的磁场取向变化的时间，EUV / UV最小值发生在不同时期。太阳最低频谱如图12所示。ATLAS 3在低太阳活动下进行测量，但其测量结果高于2008年，如下所示。
图12. 左图显示的完整光谱，覆盖从16nm到2900nm的范围。右图显示了半对数坐标中的相同光谱谱段。我们注意到，在红外域中，SSI分布是准线性的。这个没有任何适配的结果允许我们确定光球层的亮度温度
根据与理论光谱或测量光谱的比较，我们可以估计它们各自的兼容性。在紫外光波段，这些光谱之间的偏差在1%的数量级。
8.3.2 长短期的太阳变化率模型 太阳是变星，它的变化性由11年的周期性决定，这引发了尤其是在极紫外和紫外光谱域中的TSI以及SSI的变化。这种活动很容易通过太阳黑子和光斑的出现来进行检测。此外，当太阳黑子位于40°太阳纬度以下，且太阳的旋转轴与黄道平面准直时，地球将受到SSI上活动区域的影响。因此，太阳旋转（27天）将引起一个相对于地球的活动区域的位移，所以SSI会随着该周期性而发生改变。这就是对流层上方的地球大气参数（例如，温度、组成）呈现出27天变异性的原因。 因为太阳周期一直在变化，因此考虑SSI关于时间的变化性时重点关注太阳、大气和气候物理学，这就是为什么时间序列是太阳任务的关键目标。多个任务都提供了EUV和UV光谱域的数据。由于重叠测量显示EUV和UV都存在一些差异，发展SSI的模拟，主要用于以下两个目的： •不同的技术事件有时会中断时间序列，特别是UV和EUV的测量会经受老化影响。此外，即使同时测量的结果可能由于相互不确定性的存在而不一致。 •气候建模通常需要在获得首个现存时间序列之前得到TSI和SSI。 这些模拟经常被称为“重建”。重建主要基于利用一组利用太阳参量（太阳黑子数、宇宙同位素浓度变化等）的理论或经验或半经验的方法。模拟的TSI和SSI在高低太阳活动周期中使用现代数据进行验证是有效的，然而，由于过去没有测量，对过去时期的验证和准确性评估变得困难。 由于存在多个过去重建的SSI和TSI，，在绝对值和变化性方面对它们进行比较变得非常重要，如果不同结果之间具有一致性可以支持重建的可信度。最近，我们也进行了广泛的比较，使用的数据集包括几组SOLSPEC数据。使用的重建如下： •MOCASSIM •MGNM •NRLSSI •SATIRE •SEA。 分析表明，每个模型的光谱特性在任何时期保持不变，仅在变异性和绝对SSI方面会存在不同。图13展示了对1893年的不同预测结果。 光谱特征（例如，高于280nm的用“+”进行标记）在相关模型中存在特异性，因为这种特异性在任一年份都会存在。一般来说，重建之间的一致性在10%的量级，而且取决于太阳活动的水平。考虑到所采用的参量的性质，我们通常在高太阳活动条件下能找到更好的重建一致性。对于某一年中的数据，在重建中所使用的参量可能会产生独特的效果，例如某年中存在的紫外波段（细线）的低SSI，但在另一年（例如，1781年）中不存在，就可以证实这一点。 重建可能会被用于气体建模，为了评估不同重建之间的差异性，我们使用加拿大CMAN气候模型计算赤道处的太阳加热。正如所预期的，结果存在着一定差异。在五组重建中，最大的差异大于自然变化率，这通过改变每个模型中太阳活动的水平可以获得类似的结果。 短期模拟对于检测重建的质量也是有意义的。在2012年12月，一方面，多个光谱仪（机载在SORCE的SOLSTICE，机载在ISS上的SOLSPEC、SOLACES，机载在PICARD上的PREMOS）同时收集了SSI数据；另一方面，这个时间段内的多个重建也可以获得。考虑到太阳旋转，SSI呈现出关于一天的变化函数。图14显示了由SolACES测量的EUV SSI。
图13. 不同模型对1893年预测的比较
图14. EUV域中不同光谱范围内的SolACES测量
图15. 在215nm处的SSI的变化适应于由四个模型预测的在第350天的平均辐照度，并与在215nm处PRIMOS的测量进行对比
最大和最小EUV SSI天数的模拟与测量结果是一致的；我们发现，从模拟的SSI导出的变化性（在太阳旋转期间的最大与最小SSI之比）接近或大于观察值（约1.3）。然而，模拟的绝对SSI需要适用于所测量的SSI。 在UV域中，我们使用了与上述相同的模型，除了SEA由COSIR替代（因为COSIR更适合于短期预测）。绝对SSI预测相差10%（最低SSI与最高SSI预测值之比）。为了比较由太阳旋转引起的预测变化性，我们计算它们在第350天的平均值以建立图15。此图显示： •所有模型预测最小和最大发生在同一天， •通常所有模型所发现的最大与最小辐照度的比值与观察值保持一致（约1.01）。 正如所预期的，短时间重建相比长期可提供更一致的结果。可能这是由于在这些工作中采用的参量具有更高的准确性。然而，如图15所示，在某个周期的模拟值存在与其他周期的差异（对于长期模拟而言），这是取决于在这些建模中所使用的参量的组合和/或参量的准确性。关于这方面的工作还研究之中。
9 结论 在空间环境中存在不同的仪器老化来源。太阳光子本身就具有使光学器件、检测器老化以及促使颗粒沉淀的能力。正是由于这些自然原因，轨道平台和仪器本身的污染为仪器的测量增加了更多的困难。为此，我们参考相对辐照度来实施不同的技术，当然这些技术也受老化的影响。应对策略可包括通过火箭运载双仪器和在连续测量任务中设计重叠测量。SOLAR使用两种不同的技术：SOLSPEC通过使用不同类型的灯，SolACES通过利用不同气体吸收太阳光子，这将为中层大气、热层-电离层研究敞开空间天气和导航应用的大门。 空间实验自开始以来就存在着不同的困难。根据经验教训，我们找到了一些解决办法。然而，空间老化仍然是长期困扰SSI测量的关键问题。我们已经证明了，SOLAR利用气体吸收太阳光子和SOLSPEC使用一组灯的概念是正确的。另外，这两种仪器还可以无难度的运行在新场景中以研究不可预见的情况（例如CPD偏移）。在这一点上，B-USOC和ESA SOLAR的管理为任务的成功做出了重大贡献。 然而，SOLAR团队还开发了一种与这种仪器效果并行的建模活动，这种基于不同太阳参量的建模，引发了有意思的观点。由于这些模型中的绝大多数使用了参量的组合，而每个参量又具有各自特定的精度，此外，每个模型在模拟SSI方面能力有限，因而难以保证模型的准确性。通过对不同模型进行比较修正，长期和短期的差异可保持在10%的量级，该模型的首要用途将是对过去气候的重建。SSI的时间序列也会变得更加准确，我们将其用于验证模型，会使SSI预测准确度得到显著改进。此外，对所选气辉、极光发射、包含的总电子和微小大气成分的监测也是对验证的有效补充。 我们预期建模、新仪器和测量方法将导致SSI绝对值及其变化性的重建精度得到显著的提高。 基于目前的情况，基于SORCE、SOLAR-ISS和SDO（正在进行中）所获取的EUV / UV-SSI数据记录已经超过了一个太阳周期。应该强调的是，将所有可用数据合并为一个集合，可作为供科学界和企业界使用的验证集合。第十届TIGER研讨会和SOLID为讨论这些相关问题提供了很好的平台。
参考文献 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. 刘艳 编译 张伟 校对
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
空间物理与空间环境
 |
版权所有 © 中国科学院空间应用工程与技术中心 中科院太空应用重点实验室 备案序号：京ICP备05002857号 京公网安备110402500056号 单位地址：北京市海淀区邓庄南路9号 邮编：100094 联系电话：010-82178814 E-mail:lsu@csu.ac.cn |