2025年8月26日

 

• 德國航空航天中心與 TROPOS 合作，在 HALO-South 計畫中研究南大洋上空雲層、氣溶膠和輻射的相互作用。
• 除此之外，研究人員也希望彌補先前氣候模型中的知識空白。
• 為此，利用德國航空航天中心研究飛機 HALO 和衛星資料對大氣顆粒、微量氣體和雲特性進行測量。
• 重點：航空、大氣研究

 

未來幾十年，大氣和雲層將如何應對排放量的減少？南大洋中存在哪些氣溶膠？它們來自哪裡？為了解答這些問題及其他問題，德國航空航天中心 (DLR) 正在支持由萊布尼茨對流層​​研究所 (TROPOS) 領導的一組研究人員進行 HALO-South 任務。從 2025 年 9 月起，HALO 研究飛機將進行 176 小時的飛行，研究紐西蘭，特別是南大洋上空的雲、氣溶膠和輻射之間的相互作用。目前，HALO 正在位於奧伯普法芬霍芬的 DLR 進行大規模部署準備。

HALO 將從基督城出發，在南半球的海洋上空進行為期五週的測量飛行。在南極洲周圍，大氣依然潔淨，讓研究人員得以一窺理想的低排放世界狀態。該地區是地球上雲量最多的地區之一，在關鍵方面與北半球有所不同，北半球在氣候模型中得到了更廣泛的研究：由於陸地面積較小、人口密度高且工業發達，這裡的大氣比北半球潔淨得多。形成雲滴和冰晶的粒子較少。因此，預計純冰粒或冰粒和液滴共存的雲會更少。先前的氣候模型主要基於北半球的數據。目前仍缺乏對南半球更全面的測量數據。 HALO-South 計畫旨在彌合這一知識空白，並為更精確的建模提供數據。

在研究飛行期間，也將首次測量冰核的數量和雲粒子的數量。這對於更精確地理解冰增殖過程及其對雲形成的影響至關重要。此次測量標誌著德國和紐西蘭研究合作的開始。

約50名研究人員將在現場：他們來自萊布尼茨對流層​​研究所（TROPOS）、萊比錫大學萊比錫氣象研究所、美因茨約翰內斯·古騰堡大學（JGU）、法蘭克福歌德大學（GUF）、美因茨馬克斯·普朗克化學研究所（MPICF）、CKIT、JZ）大氣研究中心飛機將由德國宇航局飛行實驗設施操作。坎特伯雷大學、基督城大學和紐西蘭氣象服務公司也將參與地面測量。

 

尋找大氣中的微量氣體

德國太空總署大氣物理研究所正在為HALO-South計畫貢獻多種儀器。科學家正在使用各種探測器來確定所研究氣團的來源和成分。 「這對於正確分類雲的形成過程至關重要，」德國太空總署大氣物理研究所的Helmut Ziereis博士解釋道。 「所研究的微量氣體被稱為『示蹤劑』。它們的濃度和分佈可以提供有關所研究氣團來源的信息，以及它們受到自然或人為因素（即人為因素）影響的強度，」Ziereis博士繼續說道。

研究人員同時測量的微量氣體越多，氣團的分析就越精確。每種氣體都有其典型的來源。例如，一氧化碳主要由地面燃燒過程產生，例如道路交通或明火。氮氧化物既有自然來源，例如雷擊，也有人為過程，例如生物質燃燒或航空。甲烷也有多種來源：在自然界中，它存在於濕地等地，而人類活動則主要透過農業或化石燃料的開採釋放甲烷。臭氧是在低層大氣中透過複雜的化學反應形成的，但主要來自高層大氣。

「當我們把這些氣體放在一起觀察時，我們看到了一個清晰的模式——一個化學指紋，」齊雷斯解釋道。 “這讓我們能夠確定氣團的起源，以及哪些過程影響了它的成分。”

 

HALO 測量雲和氣溶膠特性

為了進行測量飛行，研究人員為德國太空總署的HALO研究飛機配備了五台高靈敏度雲測量儀器，用於記錄雲粒子的大小、數量和形狀。 「機翼下方和窗玻璃上的感測器可以測量從大約1微米到6毫米大小的粒子，幾乎涵蓋了自然雲的整個尺寸範圍，」德國太空總署大氣物理研究所和美因茨大學的克里斯蒂安·沃格特教授解釋。 “此外，其中兩台測量儀器可以提供高解析度圖像，從而可以確定物質的狀態，例如粒子是冰粒子還是過冷水滴。”

此外，還使用儀器測量所謂的氣溶膠，即懸浮在空氣中的微小顆粒。這些儀器位於飛機內外，可以偵測到小至十奈米的顆粒。這些測量至關重要，因為氣溶膠（取決於其大小和成分）是雲滴的基礎。在正常大氣條件下，沒有氣溶膠就不會形成雲。飛機的運作由德國太空中心飛行實驗裝置（DLR Flight Experiments Facility）負責。

日本氣象衛星HIMAWARI提供了進一步的支援。它的數據與HALO的飛行路徑相結合，提供了沿途雲層類型和氣溶膠水平的即時資訊。這使得飛行計畫能夠直接回應當前條件，例如某個區域何時形成暖雲、過冷雲或冰雲，或何時無雲區適合進行氣溶膠測量。

HALO 將在奧伯普法芬霍芬的德國太空中心 (DLR) 進行改裝，部署至 2025 年 8 月底，之後將於 9 月第一周轉回紐西蘭。首次測量飛行計劃於 9 月第二週進行。 HALO 將於 2025 年 10 月中旬返回 DLR 基地。

 

[照片]

(A) HALO研究飛機

HALO 研究飛機在全球範圍內進行大氣和氣候研究。在 HALO-South 任務中，它將於 2025 年 9 月初至 10 月中旬在新西蘭附近的南大洋上空飛行。

(B) 氣溶膠和雲粒子測量探頭

研究人員利用前景中的探測器（PCASP-100X，被動腔氣溶膠光譜儀探測器）研究大氣中氣溶膠的粒徑分佈。它可以探測粒徑範圍為0.12至3.5微米的氣溶膠。背景中的PIP（降水成像偵測器）用於對粒徑在100至6400微米之間的雲粒子進行成像。

(C) 輻射感測器和 GNSS 天線

德國航空航天中心 (DLR) 研究飛機 HALO 使用寬頻輻射感測器，從上方測量可見光和近紅外光譜範圍內的輻射密度。圖片顯示了機頂儀器的連接以及 GNSS（全球導航衛星系統）接收天線的連接，後者是 HALO 科學定位和姿態確定係統的一部分。

(D) 內部科學設備

為執行HALO-South任務，德國航空航天中心（DLR）的HALO研究飛機配備了一系列複雜的大氣儀器。在測量飛行過程中，空氣樣本會透過特殊的進氣口進行採集和分析。機艙內部的視角展示了安裝的用於分析雲和氣溶膠顆粒以及微量氣體成分的儀器架。

(E) 準備測量儀器

測量儀器在使用前會經過仔細清潔。研究人員正在準備CIP（雲成像探頭），它是CAPS（雲、氣溶膠和降水光譜儀）儀器的一部分。本儀器可測量0.5至1550微米大小範圍內的氣溶膠和雲粒子。

(F) 向日葵九號 (Himawari-9) 利用 HALO 軌道和 EarthCARE 軌道觀測到的雲相

此圖顯示了地球靜止衛星向日葵九號 (Himawari-9) 在 2024 年 9 月 8 日（去年 HALO South 計畫在新西蘭發射）在南大洋上空的雲相測量結果。紅色多邊形勾勒出 HALO 計畫繞著紐西蘭飛行的科學研究路徑，該路徑部分與 EarthCARE 衛星預計的兩次飛越路徑（黑色虛線）平行，用於衛星驗證。雲相分別表示為冰雲、混合雲、過冷水雲和水雲，它們對南大洋的雲反饋有顯著影響。微物理過程也發揮作用，尤其是在混合雲中，它對氣溶膠-雲相互作用和雲輻射有顯著影響。

(G) 向日葵九號 (Himawari-9) 利用 HALO軌道和EarthCARE軌道觀測到的雲類型

該圖顯示了基於國際衛星雲氣候學計畫 (ISCCP) 參數的 2024 年 9 月 8 日地球靜止衛星 Himawari-9 在南大洋上空的雲類型分類。紅色多邊形標記了計劃向西南和向南飛行的 HALO 研究飛行路徑，目的是調查南大洋的雲層情況。部分路線與 ESA EarthCARE 衛星的兩個預期過境點（黑色虛線）平行，這將用於衛星驗證。雲的類型包括層雲、層積雲、積雲、雨層雲、高層雲、高積雲、深層對流、卷層雲和卷雲。從這些分佈中，可以推導出所謂的宏觀尺度過程，例如從層積雲到積雲的過渡以及對流層上部卷雲的形成，這些過程共同為複雜的雲層發展提供洞察。