前不久,台风“杜苏芮”、“卡努”的接连袭击,造成了很大的人员伤亡和财产损失。面对台风这样的灾害,想象下面两种情况:

A.能通过手机、电视等随时知道台风到哪儿了,下一步可能往哪儿去,早早准备物资做好防灾工作。

B.只知道这个季节刮台风,凭经验判断。


(资料图)

相信所有人都会选择A吧?没错,与抢险救灾同样重要的,是对天气的持续监测跟踪,做出准确判断,及时发出预警。那么,我们的气象数据从何而来呢?有很大一部分的气象数据,来自天上的气象卫星,下面我们就来了解一下气象卫星和它们的基本工作原理吧!

物理基础:遥感

气象卫星的工作原理是遥感,顾名思义也就是“遥远的感知”——只看不摸,用非接触手段去探测物体的各项属性。

虽然听起来很高科技,但其实遥感属于咱们每个人的基本功能。比如我们在路上走着走着,忽然听到身后咚咚咚的脚步声,回头一看,是小李呀!这就是耳朵和眼睛发动了遥感技能。

不过,把问题难度拔高一点,我们天生的遥感技能就不够用了。比如,小李今天穿的白衬衫,是纯棉的、真丝的还是化纤的呢?这要用手捻一下才知道,可这一伸手,就成了接触式探测,不是遥感了。

怎么办?我们可以请仪器来帮忙,观测小李这件衣服的反射光谱。

这个词是什么意思呢?当光线照射到物体上时,有些波长(颜色)的光会被吸收,有些会被反射,我们用不同的波长去照射它,就会看到不同的亮度,把亮度随波长变化的曲线画出来,就是反射光谱。

例如树叶吸收红光蓝光,反射绿光,我们看到的绿色就是树叶大致的反射光谱。借助仪器,这个光谱还可以更加精细,具体到波长。如果在红外波段观察小李的白衬衫,不同的原料就会呈现不同的红外光谱,我们就不用动手捻一下了。

此外,一切物体都在辐射电磁波,冷的物体波长较长,热的物体波长较短,而且会随着物质构成,呈现出特色的光谱分布。所以,通过观测物体的辐射光谱,能够判断它的成分和温度。比如大家眼前的手机,每个“白色”像点其实都只有红绿蓝三种颜色,而真正的阳光,就从红到紫一应俱全。

液晶显示屏的显微图,每个像点都由红绿蓝三色配比而成

了解了遥感的基本原理,接下来咱们就看看气象卫星是怎么做的。

气象卫星看什么

让我们来设计一个气象卫星,我们会让它看什么?怎么看?

既然是气象卫星,那么最起码要能拍摄常见的可见光卫星云图。这是最直观的天气表现,我们可以看到云的分布、厚薄,如果持续观察,还能看到云的流动。这些是普通大众都能看明白甚至还能做点分析的数据,所以是必须实现、也比较容易实现的功能。

但是,仅仅可见光还是不够。到了夜晚,地球的有一面陷入黑暗,用肉眼就看不清云了。所以,为了24小时连续监测天气,我们还要增加夜视功能。我们前面说过,一切物体都会发出辐射,在红外甚至微波波段去观察,就能看清楚夜晚的云。

风云4A拍摄的云图,左方是夜景,右方是昼景

这样看来,好像很简单呢!那我们再深入说说,我们能相信卫星看到的景象吗?它看到的云为什么不能是地面上的雪呢?如何与火山喷出的火山灰区分呢?夜晚看到的明亮的云,为什么不能是城市的灯光呢?

所以这里就用到了前面说过的遥感原理,通过科学仪器的“眼睛”去做光谱分析,我们不但能看出物体的颜色,还可以知道它真实的温度和构成。

当然,实际上,无论是可见光也好,红外线也好,卫星观测到的都是复杂的叠加信号。例如,白天看到的云层,就是由云层反射的阳光、云体自身发出的辐射、大地和大气层背景辐射三部分叠加而成。这就需要专业人员设计专门的算法,把这三样信号一一分离出来,从而得到准确的信息。卫星观测到的云和大气,不但具有形象轮廓,还有温度湿度、高度分布、成分构成、闪电雷暴等详尽的信息。

气象卫星观测到的种种数据,送回地面后,就由超级计算机接手,使用数值模式做出预报了。台风“卡努”的诡异舞步,就是因为被三个高压反气旋夹在中间揉搓的结果。最终“卡努”的路径和预报一致,正是气象卫星精准观测与超算数值模式通力合作的成果。

气象卫星只用来预报天气吗?

气象卫星的基本原理,决定了我们还可以把视线放宽、放远,用气象卫星去研究许许多多好玩的东西。

比如我们可以通过气象卫星去监测农业。土壤的温度和含水量都可以反映到光谱中,而且植被对光的反射光谱,在不同波长上,可以分别反映叶绿素、细胞结构和含水量情况,不同的作物有各自的反射光谱。通过卫星遥感,能够判断土壤状况、作物种类、作物长势、是否有病虫害。我们的“风云”气象卫星就具有农业监测功能,它们除了看云识天气之外,更是农业的守护星。

我们还可以使用气象卫星去监测大气碳含量。地面辐射透过大气传到卫星的途中,一些波长会被二氧化碳吸收。通过分析吸收谱,可以掌握全球各地的大气碳含量,为节能减排、科学合理地设定碳排放目标提供科学依据。中国2022年发射的碳卫星“句芒号”就是做这个业务的。

往远了说,光谱分析不仅可以用在气象卫星上,我们还可以通过光谱分析去研究宇宙,去观测研究其他行星的天气,带有这种功能的航天器,某种程度上可以算是“宇宙气象卫星了”。比如韦布空间望远镜拍到的这幅海王星的照片。左上角的海卫一看起来完全压倒了海王星的亮度,几乎会被当成一颗恒星。这是因为韦布望远镜在红外波段观测,海卫一表面有丰富的水冰,对阳光(包括红外线)的反照率很高,而海王星大气中的甲烷成分却能吸收红外线,所以整体就暗下来了。海王星表面的亮条和斑点,则是甲烷和水构成的冰的高反射区,它们的分布勾勒出了海王星上的暴风。

海卫一和海王星

总结一下,气象卫星主要靠的是遥感技术来获得各类气象数据,而气象卫星的遥感能力,也让它们不仅能帮忙预报天气,还能提供更多的帮助。最后,再次提醒大家,看到各种气象预警,要及时做好准备防灾减灾哦!

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