问题？这些很容易。
即使是我们最早的祖先也会仰望天空和上面的星星，并提出问题，试图弄清楚这一切是什么以及它们是如何工作的。
但要回答这些问题，通常是关于数千到数百万英里以外发生的现象吗？这就是诀窍。
自第二次世界大战结束以来，它一直是密歇根大学空间物理研究实验室研究人员和学生们在这里梦想和开发的仪器已经到达了人类数年、数十年甚至更长时间都不会到达的太阳系区域。
想知道地球高层大气的组成是如何影响飞机飞行的吗？需要了解飓风在海岸附近的破坏力如何增长和移动？想看看太阳是如何控制日光层内的事物的，并了解它是如何威胁地球的？
SPRL仪器设计用于在最恶劣的已知环境中工作，它在位于安娜堡的密歇根大学气候与空间研究大楼内的实验室和办公室内回答了这些问题以及关于我们宇宙的一系列其他问题。
2021年是该实验室成立75周年，比NASA本身还要古老。在这段时间里，它帮助制造了太空探索史上最重要的一些仪器，为那些一度似乎超出我们理解范围的问题提供了线索。SPRL小工具目前或已经绕地球、水星、金星、火星、土星及其部分卫星和太阳运行。
SPRL位于气候与空间学院北校区大楼一楼的一扇不起眼的门后，提供了一种越来越罕见的环境，这得益于学院研究人员的投入、SPRL工程师以及他们所服务的学生的创造性思维。
Sue Lepri说：“位于大学内部是理想的。”，SPRL的主管兼气候和空间科学与工程副教授。“这是一次很棒的教育经历，每个人都在学习。进入SPRL学习的学生不仅仅是在汽车或飞机上设计一个小部件。他们设计的东西是独一无二的，将要进入太空。”
结果是不可否认的。
这些年来通过SPRL大门的人已经在美国国家航空航天局及其喷气推进实验室(喷气推进实验室)和戈达德太空飞行中心，太空探索技术公司和蓝色起源以及在主要研究机构的职位。托马斯·祖布钦（Thomas Zurbuchen）是前密歇根大学工程学教授和副院长，现任美国国家航空航天局（NASA）科学副局长，他就是一个例子。
担任Lepri博士顾问的Zurbuchen说：“SPRL毕业生中有这么多领导者。坦率地说，这令人惊讶。”。该名单包括：詹姆斯·韦伯太空望远镜的热负责人，美国国家航空航天局探索金属小行星的Psyche任务的副软件负责人，火星2020任务的仪器集成负责人，太空探索技术公司发射操作的负责人，以及美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心太阳物理学的二把手。
“实验室在很多方面都很大胆，”苏布钦补充道。“要真正提高关于太阳系和气候科学的知识，你需要做的不仅仅是分析数据。你需要实际构建系统并开发仪器，以探索太阳系并监测我们自己的星球。美国很少有大学实验室能做到这一点，SPRL就是其中之一。”
今年是实验室成立75周年纪念日，莱普利成为该实验室的董事，成为第一位担任该职位的女性。
在认真开始这一章之前，我们先简要回顾一下SPRL的历史及其部分工作。
20世纪50年代
设置场景:
这是20世纪40年代后半期和50年代初。一系列的繁荣正在进行，在观光馆、郊区住房和国家经济方面似乎没有尽头。对于一个仍在经历二战余波的国家来说，这些数字正在飙升。
正是战争中未完成的事业，才有助于SPRL的启动。美国政府仍然对战败的纳粹的技术感兴趣。特别是，他们正在研究V2火箭-被认为是第一枚远程制导弹道导弹。
他们很好奇地球的上层大气是如何影响像V2这样的导弹和火箭的飞行的。威廉·古尔德·道，他创建了SPRL，于1946年与美国空军合作，开始测量电离层上层的离子和电子温度。
仪器：哑铃探头
从技术上讲，它被称为双朗缪尔探测器，但当你看到20世纪40年代末U-M工程师提出的东西时，除了哑铃之外，把它称为任何东西都是错误的。
Double Langmuir探测器是一种火箭携带的对称静电探测器，它本来可以从火箭上弹出，以便直接测量100至1000公里高度范围内的电离层温度和密度。
欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）在三十年前创建了同名探针，用于测量等离子体中的电子温度和密度。但是，将它们固定在火箭的金属体上会干扰这些测量，所以U-M团队想出了他们的“哑铃”设计。
通过物理隔离探针的各个部分，可以在一端施加电压以吸引离子或电子进行测量，而另一端可以进行计数。密歇根州立大学的研究人员正在进行亚轨道发射，将哑铃探测器从新墨西哥州的白沙发射到大气层中，随后又从加拿大马尼托巴的丘吉尔堡发射到大气层。
调查结果： 这些早期研究成果有助于提高对大气中性密度的估计，而中性密度是大气阻力的关键信息，有助于规划航天器重返大气层。道琼斯的工作，以及纳尔逊·斯宾塞，Larry Brace、Walt Hoegy和乔治·卡里格南，解决了与在高层大气中进行测量相关的问题，而不允许通信和控制系统的机载性能受到影响。
哑铃探测器所显示的情况是非常出乎意料和有争议的。事实上，SPRL最早的成员（当时大多数是电气工程师）还需要几年的工作才能证明这些发现是正确的。
哑铃探测器显示，在这个高度上，大部分电子的温度为较高的比中性气体温度高。陶氏和其他人在论文中写道：“探测电流在海拔90至105公里之间迅速上升。结果表明，正离子密度约为电子密度的十倍。”
对高层大气结构的更好理解有助于工程师改善与火箭和飞机的通信，同时也有助于更好地进行天气预报。
20世纪60年代
设置场景
20世纪60年代，美国和苏联经历了冷战中最寒冷的几年。1961年10月的两周多时间里，古巴导弹危机将紧张局势提升到了令人恐惧的新水平。到本世纪中叶，美国将正式参加越南战争。
随着太空竞赛的升温，这场骚乱给理解高层大气和其他方面带来了新的压力。
在安娜堡，SPRL继续形成，来自不同学科的新研究人员帮助该群体多样化。安德鲁·纳吉，气候和空间科学与工程名誉教授，1959年加入。
60年后，纳吉说：“能成为一种新的、不断发展的探索性事物的一部分，这是令人兴奋的……”。“我加入时，他们的规模相当小，大概不超过六个人。事情开始发展得很快。到20世纪60年代中期，它已经成为一个相当大的企业。”
在这十年里，SPRL正在验证哑铃探测器的早期发现。但它也向新的、重要的方向发展，即向上发展。新的仪器使U-M研究人员能够确定上层大气最远区域的特征，高达205英里。
仪器：热球圆柱形探头
就像它的前身哑铃一样，这些探测器设计用于在高层大气中进行测量。热层圆柱形探测器的设计目的是，一旦从火箭中段弹射出来，就可以飞得更高，更准确地收集数据。
20世纪60年代火箭发射的历史照片
在20世纪50年代利用V-2火箭完成工作后，向高空推进需要新型火箭，密歇根州立大学的研究人员利用Aerobee 300和耐克火箭将仪器安装到需要的位置
为了了解世界各地电子温度和密度的变化，发射在不同的地点进行：加拿大马尼托巴省丘吉尔堡，以及弗吉尼亚州沃洛普斯岛。
调查结果：20世纪60年代，SPRL的研究人员能够验证哑铃探测器对上层大气电子温度最早发现的准确性，使该实验室的声誉不断提高。
纳吉说：“当时的普遍看法是，上层大气的温度约为1000开尔文。”。“圆柱形探针显示的温度约为3000开尔文。所以人们认为这些仪器有问题。
“当然，（对他们来说）很容易指责工具。
“多年来，SPRL研究人员一直在为结果的有效性辩护。然后人们醒来时发现电子温度与中性气体温度不同。通过模型计算，我们表明了这是应该的。”
通过解决温度问题，SPRL的工作为更广泛地研究高层大气温度的每日和季节波动打开了大门。
20世纪70年代
设置场景
美国的现代环保运动正在兴起。对空气和水污染、核能和杀虫剂等问题的担忧促使美国人重新思考他们与地球的关系。
1970年4月22日是第一次庆祝地球日。大约两年后，联合国主办了斯德哥尔摩会议，该会议被认为是第一次关于环境问题的世界性会议。
人们对空气污染等问题越来越感兴趣，这突显出需要通过各种方法来分类和识别大气中的成分。SPRL的质谱仪仪器工作集中在一种可以测量上层大气中中性粒子（如氮气）的装置上。但该实验室的研究人员也开始进一步研究金星、火星、木星和土星的行星大气层。
仪器：四极质谱仪
为了更好地了解进入我们空气中的污染物，SPRL研究人员，尤其是哈索·尼曼，研制了四极质谱仪。四根平行的圆柱形金属棒构成了仪器的主体。
轨道地球物理天文台6号任务（OGO-VI）的艺术家概念，其中包含四极质量分析器。
该设备的强大功能是识别气体成分。它通过在电磁场中悬浮分子来实现这一点。当电压施加在一对棒上时，就会产生磁场。通过改变棒上的电压，不同的分子被偏转到探测器上。这些探测器按重量对分子进行分类和识别，然后计数以确定其密度。
SPRL总经理帕特里克·麦克纳利（Patrick McNally）表示：“四极杆是一种比其前身质谱仪更大、更复杂的仪器。”。“它更适合在轨道卫星上进行测量。从这个有利的位置，可以在给定的高度在全球范围内进行测量。这将显示卫星完成许多轨道时随时间的变化。”
四极质量分析仪是轨道地球物理天文台6号任务（OGO-VI）的一部分，该任务首次对热层中的气体成分进行了全球测量。
调查结果：四极质谱仪分析未知气体成分的能力显示出在行星探索任务中使用的潜力。在仪器取得成功后的几年里，SPRL工程师与NASA戈达德航天飞行中心合作，开发了新的更紧凑的四极质谱仪，用于其他行星的大气研究。
四极质谱仪的后代曾去过木星（伽利略探测器NMS）、土星（卡西尼INMS和惠更斯探测器GCMS）、火星（好奇号SAM，MAVEN）和月球（LADEE）。即将执行的任务将利用SPRL的质谱仪电子设备，包括飞往土星卫星泰坦的蜻蜓和预定飞往金星的DAVINCI。
20世纪80年代
设置场景
1981年，美国国家航空航天局发射了哥伦比亚号航天飞机，这是第一艘可重复使用的载人航天器。美国国家航空航天局（NASA）转向不同的运输模式反映了SPRL的发展状况。实验室的研究人员开始将卫星和长期研究视为其仪器的下一个前沿领域。
NASA气候科学家詹姆斯·汉森（James Hansen）1988年在美国参议院作证时首次使用“气候变化”一词。同样，SPRL在这十年的工作反映了NASA对气候的关注。为了了解导致令人担忧的气候问题的因素，密歇根州立大学的工程师们正在研究空气中的污染物以及它们如何受到温度和风的影响。
仪器：高分辨率多普勒干涉仪和时间多普勒干涉仪
热层-电离层-中层能量学和动力学（TIMED）是美国国家航空航天局（NASA）在其日地探测计划下的初始任务，旨在研究太阳和地球之间的关系。
第一批干涉仪是在20世纪初开发出来的，利用光波的干涉来收集空气中成分的信息。Fabry-Perot干涉仪是20世纪80年代SPRL研究人员的一个关键起点。
它们的工作原理如下：两个反射面平行放置，光线照射到它们之间的空间。当光照射到反射表面时，它在空间中来回反弹，并形成干涉图案，这取决于光的波长和板的分离。
作为TIMED任务的一部分，高分辨率多普勒图像（HRDI）的一个备件测量了从平流层到中层的风
这些图案有点像指纹——不同种类的分子会产生不同的干涉图案，并朝着航天器或远离航天器移动，从而可以识别它们。
调查结果：TIDI和HRDI数据首次为研究人员提供了全球季节性风变化的长期观察。
他们收集了近二十年的信息，并在今天继续这项工作。从高倾角轨道的有利位置来看，TIDI风速测量有助于揭开大气波日常、季节和长期变化的帷幕。
多年来收集的大气数据改进了我们的天气和气候预测模型。TIDI和HRDI对中层和低热层之间大气区域的检查是NASA日地计划中的第一项任务，该计划旨在了解太阳与我们的保护大气和磁场之间的相互作用。
TIMED多普勒干涉仪的任务是研究太阳和人类对地球大气层中探索最少的区域——中层和低热层的影响。
1990秒
设置场景
1986年挑战者号灾难发生后，美国宇航局继续推进航天飞机项目。发现号于1990年发射，将哈勃太空望远镜送入轨道。随后的发射将部件运送到太空，用于建造国际空间站。
在SPRL，研究人员正在解决与航天器运行有关的几个问题。特别是，密歇根大学的研究人员正在研究空间等离子体，以及它们是否可以用来产生改变卫星轨道的推力，而不是使用传统燃料。
仪器：系留卫星系统（TSS）
系留卫星系统的艺术家概念，用于研究潮汐稳定、系留推进和轨道等离子体动力学。
其想法是从航天飞机上释放和控制小型卫星，或通过长绳连接的大型卫星。通过这样做，任务可以直接从更多位置收集数据，而不仅仅是航天器的轨道。此外，研究人员希望系绳本身能够为航天器和卫星的机动提供动力。
在SPRL，研究人员研究了系绳本身以及小型卫星产生推力的方式。美国国家航空航天局（NASA）和意大利航天局（Italian Space Agency）已将电离层作为研究目标，电离层是上层大气中充满带电粒子的区域。
据信，一条延伸的绳索穿过地球磁场，最终会从两端的电位差中产生电流。
调查结果：该系统首次作为TSS-1型1992年6月6日，亚特兰蒂斯号航天飞机执行任务。系绳在部署过程中两次卡住，将卫星与航天飞机的距离限制在840英尺。它被设计成可以延伸到60000英尺远的地方。
1992年，Altantis号航天飞机部署了系留卫星系统1（TSS-1）。
四年后，美国国家航空航天局（NASA）/意大利航天局（Italian Space Agency）启动了一项后续任务，这是该项目的第二次机会，但也遇到了困难。系统按计划进行了部署，但大约五个小时后，缆绳断了。
即使是两次缩短的任务，这些发射也帮助U-M工程师建立了重力梯度稳定，作为固定较小卫星定位的有效方法。通过在地球磁场中移动，延伸的绳索能够收集足够的电荷，为较小的卫星提供动力。
这个调查结果显示，在缩短的测试期间，发电量高达3.5千瓦，揭示了在最佳条件下实现更大发电量的潜力，并为更多的系留卫星任务扫清了道路。
2000年代
设置场景
美国国家航空航天局在2003年失去了哥伦比亚号航天飞机，大约是在失去挑战者号之后的十五年。尽管经历了挫折，2002年成立了一家名为SpaceX的私营公司，但太空探索在很大程度上仍然是NASA等政府机构的职责范围。
在SPRL，多年来对地球及其高层大气的关注正在让位给对其他行星的关注，作为一个例子，特别有兴趣回答有关水星的问题。SPRL仪器首次测量了银河系中探索次数最少的类地行星大气层中的离子。
仪器：快速成像等离子体光谱仪（FIPS）
自水手10号20世纪70年代中期，美国国家航空航天局进行了两次飞越，希望能更仔细地观察水星。1999年，该机构官员批准了月球表面、太空环境、地球化学和测距(信使)实现这一目标的使命。
信使号于2004年8月发射升空，船上有七个科学仪器，包括SPRL创建的FIPS。为了了解水星上层大气的组成，该仪器在一个汽水罐大小的入口系统中收集带电粒子。
FIPS仪器的副本。该仪器旨在通过使用低质量低功率等离子体质谱仪来测定汞稀薄大气的成分。
FIPS然后通过静电分析仪过滤离子。电场将离子推入一个小室，在那里，探测器使用启动板和停止板测量离子的移动速度。不同的粒子类型以不同的速度移动，允许FIPS通过飞行时间识别它们。结果是对特定离子及其能量进行了高度准确的测定。
麦克纳利说：“SPRL的工程师和技术人员设计和制造了精密电子器件和封装，使这一切成为可能。”。“该仪器在环绕水星的轨道上成功运行了4年多。”
调查结果：信使号的工作提供了有关最深处行星的大量新数据，并首次真正了解了那里发生的事情。FIPS帮助科学家了解了水星大气的组成以及大气的来源。事实证明，太阳风从地球两极“喷发”出来的主要是钠和氧原子。
信使号宇宙飞船，装有快速等离子体成像光谱仪（FIPS），经过水星。
但该仪器也首次暗示，行星的磁场足够强大，足以偏转太阳风的一些影响，太阳风在离太阳很近的地方很强烈。
正如2008年《科学日报》（Science Daily）上的苏布钦（Zurbuchen）所述：“从我们的磁性测量结果来看，我们可以看出，水星能够抵抗大量太阳风并保护行星表面，至少在某些地方……水星的磁层与地球的磁层比我们想象的更为相似。”
从FIPS的创建中获得的知识影响了其他仪器的开发，包括太阳轨道器的重离子传感器，该传感器目前正在直接测量太阳风。
2010年代
设置场景
美国国家航空航天局（NASA）即将结束其航天飞机计划。这个好奇心漫游者登陆火星，开始寻找过去和现在生命的迹象。火星是美国国家航空航天局（NASA）和新兴私营航天部门在这段时间内的主要关注点。
但在SPRL，一些最重要的工作是将重点放回地球，因为研究人员正在解决如何更好地理解飓风强度的问题，因为飓风威胁着沿海地区的居民。
仪器：CYGNSS延迟多普勒测图仪
2012年，NASA聘请了U-M和首席研究员克里斯·鲁夫创建一个由八颗微型卫星组成的小组，可以从太空俯瞰海洋表面飓风内部发生的事情。该项目被命名为“旋风全球导航卫星系统”（CYGNSS公司)于2016年12月推出。
通过利用GPS信号，这些卫星能够通过极端天气观测地表风速，而这些信号不会受到降雨和云层的影响。天文台上的天线直接从GPS卫星收集GPS数据，以及从海面反射回来的反射数据。复杂的数据处理，内置于SPRL程序员开发的高效软件算法中，将数据转换为校准和校正的波高和表面风数据。
由于它们的排列和数量，天文台可以比典型的气象卫星更频繁地测量地球上的同一地点。
前SPRL主管、密歇根大学弗雷德里克·巴特曼学院气候与空间科学教授鲁夫（Ruf）表示：“飓风刚开始发展时，会经历一个称为快速增强的短暂时期，从热带低压或热带风暴转变为大风暴。”。“三级、四级或五级飓风通常会在24至36小时内出现。使用传统卫星，你经常会错过快速增强阶段，因为它们只会在几天内回到同一地点。”
Frederick Bartman学院气候与空间科学教授Chris Ruf在密歇根大学北校区空间研究大楼的空间研究实验室检查CYGNSS卫星之一。
CYGNSS的重访时间平均在4到6个小时之间，有时可能快到12分钟。
调查结果：将CYGNSS数据添加到美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的测试飓风建模器中，可以改善飓风哈维（Harvey）和厄尔玛（Irma）的轨迹、强度和结构预测，表明其有潜力改善未来飓风的预测。它还可以更好地定位飓风眼。
作为对预测武库的一个相对较新的补充，卫星数据尚未直接使用，但已用于重新分析预测，即使用新的CYGNSS数据重新访问旧的飓风预测，以查看如何改进预测。
它在陆地应用方面也显示出了良好的前景，包括研究受蝗灾威胁地区的土壤湿度，以及成像受飓风袭击地区的内陆洪水。
10月，NASA宣布将延长CYGNSS的使命至2023年9月
鲁夫说：“CYGNSS对飓风核心风的测量提高了我们预测飓风强度的能力，这使我们能够跟踪能量从温暖的海水以潜热通量的形式转移到大气中。”。“我们对未来三年将带来什么感到非常兴奋。”
2020年代
新冠肺炎（COVID-19）的到来破坏了这十年的开始，但这项工作仍在继续。然而，就在2020年2月宣布大流行之前，密歇根大学的Lepri和吉姆·雷恩斯，一位副研究科学家看到太阳轨道器从卡纳维拉尔角发射。
轨道飞行器的任务是将太阳上的活动与流入日光层的太阳等离子体联系起来，并驱动太空天气。飞船上装有重离子传感器，部分由Lepri和Raines开发。
这是一种离子质谱仪，可以分解它采集的太阳风的成分。密歇根大学的研究人员被公认为了解太阳活动的领导者。这一领域将在SPRL这十年的努力中发挥重要作用。
但随着莱普利接任SPRL的新任董事，她认为未来几年是新方向和新伙伴关系的机遇。她打算将合作作为她掌舵时代的标志。
勒普利说：“我认为未来实际上会更加多样化。”。“我看到了所有这些不同领域的项目。
“我们与航空航天工程和天文学和核工程范围广泛，对学生来说很好。他们将看到各种不同的机会，以及他们的专业工程技能如何在未来创造机会。”
