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深度冻结:
工程学学生通过气象气球研究甲虫和气候变化

2010年12月17日,

安德里亚·西德斯马

德雷里克森照片
上面的照片是由加州大学圣地亚哥分校工程专业的学生设计的360度相机在近太空(80000英尺)拍摄的,他们从南加州沙漠将相机和其他有效载荷放在气象气球上

加州大学圣地亚哥分校工程专业的学生们最近将一个气象气球发射到8万英尺高空附近的太空,以研究太阳能、气候变化的影响,甚至防冻剂甲虫的存活率。这次发射由加州太空基金联盟赞助,是2008年以来加州大学圣地亚哥分校的第五次发射。

在最近的一次发射中,学生们于周六凌晨4:30前往南加州沙漠的索尔顿海,释放气球及其各种有效载荷,其中包括他们设计的360度全景相机;二氧化碳、臭氧和温度传感器;小型太阳能电池板;全球定位系统;蟑螂;还有甲虫。

“我们有一个独特的气象气球发射区域,”气球发射负责人之一蒂姆·惠勒(Tim Wheeler)说,他是加州大学圣地亚哥分校航空航天工程专业的大二学生。“我们南边是墨西哥,北边是索尔顿海,周围是轰炸和山脉。”

惠勒说,最有趣的有效载荷之一是Cucujus甲虫群,这是一种阿拉斯加的耐冻甲虫,能够在零下100度以下的温度下生存。近太空的温度远低于冰点。

惠勒说:“在我们从气象气球收集数据结果后,每一组甲虫都达到了负55摄氏度。”他补充说,学生们正在等待甲虫存活率的数据。

顺便说一句,没有一只蟑螂在这次飞行中幸存下来。”所以你可以把蟑螂送到近太空去消灭它们,”惠勒说。

除了玩笑和乐趣,气球发射的主要焦点是环境。这是加州大学圣地亚哥分校的学生们第一次向近太空发射太阳能电池板。学生们想测试太阳能板在高海拔地区的表现,因为那里有更多的紫外线辐射。惠勒说,我们的目标是看看太阳能电池板是否会成为未来气象气球的可行解决方案。学生们测量了太阳能电池板产生的电压,以及紫外线辐射的最佳时间。结果是,在高海拔地区功率输出增加了70%。

德雷里克森照片
UCSD工程系学生和当地高中生最近发射的一个近空间气象气球的有效载荷包括盆栽植物、巧克力棒、twinkie、蟑螂和anit冰冻甲虫。

气象气球项目还包括圣地亚哥高中的学生,他们选择送一个Twinkie;巧克力条、棉花糖、香蕉、洗手液、一小盆花,还有培养皿中的细菌,都可以靠近太空。这些有效载荷的数据已经发送回高中,供教师和学生分析。当地学校也对气候变化的影响感兴趣。这些学校由LEADS高中的Stephanie Rico领导和组织,包括Mission Bay高中、Helix Charter高中、圣地亚哥高中和卡尼高中。

惠勒说:“我们想做一个吸引高中教师的项目,让他们能够融入课堂。”发射前,我们在教室里做了关于近空间的演示。这是一个很好的机会,你可以亲自动手做一些事情,设计你自己的实验,没有对错的答案,你不知道会发生什么。在这个实验中,天空确实是极限。”

在加州大学圣地亚哥分校工程系学生的带领下,该团队建立了地面站,并使用无线电信标和GPS系统监测气球在飞行过程中的位置(气球以每分钟800英尺的速度上升,到达太空附近大约需要两个小时)。惠勒说,加州大学圣地亚哥分校工程系的学生正在设计他们自己的无线电信标,可以连接到未来气象气球上的计算机芯片上,该芯片可以监测并传输温度、压力和湿度数据。

包括惠勒在内的一些学生用他们的iPhone追踪并预测气球将降落在哪里。

惠勒说:“科技的进步为这些项目提供了帮助。”惠勒是加州圣何塞的本地人,他从五年级开始寻找成为火箭科学家所需知道的一切。“例如,我们在气象气球上使用了一块30美元的电路板来做数据传感。10年前,技术不允许你以低成本做到这一点。”

另一位气象气球项目负责人金·赖特(Kim Wright)说,反复试验也是此类实验的关键部分。

“有时候,我们得到的数据教会了我们很多关于实验设计的知识,”加州大学圣地亚哥分校航空航天工程研究生赖特说。“我们想知道,例如,为什么我们会得到错误的结果。我们的设备故障了吗?是什么导致了这个问题,我们能在地面上复制它吗?我们如何为下一次飞行改进这个实验?通过这个过程,我们不断学习,不断提高。”

德雷里克森照片
蒂姆·惠勒(Tim Wheeler)是加州大学圣地亚哥分校航空航天工程专业的学生,他是该校近太空气象气球发射项目的负责人之一。到目前为止,自2008年以来,在机械和航空航天工程教授约翰·科斯马特卡(John Kosmatka)的带领下,加州大学圣地亚哥分校工程专业的学生已经发射了五次气象气球。

在项目期间,赖特负责了大量的后勤工作,并充当了加州大学圣地亚哥分校团队和高中教师之间的联络人,帮助他们为发射日做准备。她还与团队其他成员一起建造有效载荷箱。她对自己和其他工程师收集的未来数据感到兴奋,这些数据可以帮助改善环境。

“气象学家经常使用气象气球来收集有关大气的信息,比如风速、方向、温度和湿度等,”赖特说。“通过比较气象气球飞行的数据和预测值,我们可以衡量我们的天气预测模型的工作情况,并在需要时做出改变。这有助于更好地了解我们的环境,并帮助我们预测自己对环境的影响。”

加州大学圣地亚哥分校气象气球项目由加州大学圣地亚哥分校结构工程系和机械与航空航天工程系的约翰·科斯马特卡教授领导。

科斯马特卡和他的学生计划在2011年2月与当地高中生一起,在圣地亚哥科学节期间,再发射一次气象气球。他们还计划在2011年初进行另一次发射,测试一个可以飞到圣地亚哥以外的气象气球。科斯马特卡说,目标是能够在一天内收集和测量从美国到欧洲的所有大气数据。目前,他说,他们希望把气象气球飞到墨西哥湾。

科斯马特卡说,气象气球发射不仅仅是为了好玩——例如,它们是真正的科学实验,有朝一日可能有助于跟踪烟羽。

他说:“我们现在使用氧气、CO、CO2和臭氧传感器收集空气质量数据作为基线。”“在不久的将来,当我们发射一个气球时,我们可以监测由于人为或自然事件而造成的大气变化。

德雷里克森照片
加州大学圣地亚哥分校的工程学学生和当地高中生一起,将一个气象气球发射到80000英尺的近太空,以研究气候变化、太阳能电池板的效率、防冻剂甲虫的存活率和其他有效载荷。

当圣地亚哥县发生另一场野火时,我们可以发射一个气象气球,跟踪烟雾羽流,监测上层大气中污染物的存在和移动。例如,如果知道最近故意焚烧埃斯康迪多家中装有炸药的房子时产生的烟羽中含有哪些污染物,那将是非常有价值的。”

科斯马特卡补充说,这类项目也吸引了未来的工程师。
他说:“通过这些发射,我们试图做的一件重要的事情是让那些考虑在科学工程和技术领域攻读大学学位的高中生参与进来。”“我们想向他们展示,工程和科学也可以很有趣,以及他们如何应用所学的知识。”

有关加州大学圣地亚哥分校近空间气象气球发射的更多信息,请访问太空气球

媒体联系人:Andrea Siedsmaasiedsma@soe.ucsd.edu

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