氣象衞星影像裏，藏着預測災害的黑科技！

今天小編分享的科學經驗：氣象衞星影像裏，藏着預測災害的黑科技！，歡迎閲讀。

前不久，台風杜蘇芮、卡努的接連襲擊，造成了很大的人員傷亡和财產損失。面對台風這樣的災害，想象下面兩種情況：

A：能通過手機、電視等等随時知道台風到哪兒了，下一步可能往哪兒去，早早準備物資做好防災工作。

B：只知道這個季節刮台風，憑經驗判斷。

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相信所有人都會選擇 A 吧？沒錯，與搶險救災同樣重要的，是對天氣的持續監測跟蹤，做出準确判斷，及時發出預警。那麼，我們的氣象數據從何而來呢？有很大一部分的氣象數據，來自天上的氣象衞星，下面我們就來了解一下氣象衞星和它們的基本工作原理吧！

物理基礎：遙感

氣象衞星的工作原理是遙感，顧名思義也就是 " 遙遠的感知 " ——只看不摸，用非接觸手段去探測物體的各項屬性。

雖然聽起來很高科技，但其實遙感屬于咱們每個人的基本功能。比如我們在路上走着走着，忽然聽到身後咚咚咚的腳步聲，回頭一看，是小李呀！這就是耳朵和眼睛發動了遙感技能。

不過，把問題難度拔高一點，我們天生的遙感技能就不夠用了。比如，小李今天穿的白襯衫，是純棉的、真絲的還是化纖的呢？這要用手捻一下才知道，可這一伸手，就成了接觸式探測，不是遙感了。

怎麼辦？我們可以請儀器來幫忙，觀測小李這件衣服的反射光譜。

這個詞是什麼意思呢？當光線照射到物體上時，有些波長（顏色）的光會被吸收，有些會被反射，我們用不同的波長去照射它，就會看到不同的亮度，把亮度随波長變化的曲線畫出來，就是反射光譜。

例如樹葉吸收紅光藍光，反射綠光，我們看到的綠色就是樹葉大致的反射光譜。借助儀器，這個光譜還可以更加精細，具體到波長。如果在紅外波段觀察小李的白襯衫，不同的原料就會呈現不同的紅外光譜，我們就不用動手捻一下了。

此外，一切物體都在輻射電磁波，冷的物體波長較長，熱的物體波長較短，而且會随着物質構成，呈現出特色的光譜分布。所以，通過觀測物體的輻射光譜，能夠判斷它的成分和温度。比如大家眼前的手機，每個 " 白色 " 像點其實都只有紅綠藍三種顏色，而真正的陽光，就從紅到紫一應俱全。

液晶顯示屏的顯微圖，每個像點都由紅綠藍三色配比而成

了解了遙感的基本原理，接下來咱們就看看氣象衞星是怎麼做的。

氣象衞星看什麼

讓我們來設計一個氣象衞星，我們會讓它看什麼？怎麼看？

既然是氣象衞星，那麼最起碼要能拍攝常見的可見光衞星雲圖。這是最直觀的天氣表現，我們可以看到雲的分布、厚薄，如果持續觀察，還能看到雲的流動。這些是普通大眾都能看明白甚至還能做點分析的數據，所以是必須實現、也比較容易實現的功能。

但是，僅僅可見光還是不夠。到了夜晚，地球的有一面陷入黑暗，用肉眼就看不清雲了。所以，為了 24 小時連續監測天氣，我們還要增加夜視功能。我們前面説過，一切物體都會發出輻射，在紅外甚至微波波段去觀察，就能看清楚夜晚的雲。

風雲 4A 拍攝的雲圖，左方是夜景，右方是晝景

這樣看來，好像很簡單呢！那我們再深入説説，我們能相信衞星看到的景象嗎？它看到的雲為什麼不能是地面上的雪呢？如何與火山噴出的火山灰區分呢？夜晚看到的明亮的雲，為什麼不能是城市的燈光呢？

所以這裏就用到了前面説過的遙感原理，通過科學儀器的 " 眼睛 " 去做光譜分析，我們不但能看出物體的顏色，還可以知道它真實的温度和構成。

當然，實際上，無論是可見光也好，紅外線也好，衞星觀測到的都是復雜的疊加信号。例如，白天看到的雲層，就是由雲層反射的陽光、雲體自身發出的輻射、大地和大氣層背景輻射三部分疊加而成。這就需要專業人員設計專門的算法，把這三樣信号一一分離出來，從而得到準确的信息。衞星觀測到的雲和大氣，不但具有形象輪廓，還有温度濕度、高度分布、成分構成、閃電雷暴等等詳盡的信息。

氣象衞星觀測到的種種數據，送回地面後，就由超級計算機接手，使用數值模式做出預報了。台風卡努的詭異舞步，就是因為被三個高壓反氣旋夾在中間揉搓的結果。最終卡努的路徑和預報一致，正是氣象衞星精準觀測與超算數值模式通力合作的成果。

氣象衞星只用來預報天氣嗎？

氣象衞星的基本原理，決定了我們還可以把視線放寬、放遠，用氣象衞星去研究許許多多好玩的東西。

比如我們可以通過氣象衞星去監測農業。土壤的温度和含水量都可以反映到光譜中，而且植被對光的反射光譜，在不同波長上，可以分别反映葉綠素、細胞結構和含水量情況，不同的作物有各自的反射光譜。通過衞星遙感，能夠判斷土壤狀況、作物種類、作物長勢、是否有病蟲害。我們的 " 風雲 " 氣象衞星就具有農業監測功能，它們除了看雲識天氣之外，更是農業的守護星。

我們還可以使用氣象衞星去監測大氣碳含量。地面輻射透過大氣傳到衞星的途中，一些波長會被二氧化碳吸收。通過分析吸收譜，可以掌握全球各地的大氣碳含量，為節能減排、科學合理地設定碳排放目标提供科學依據。中國 2022 年發射的碳衞星 " 句芒号 " 就是做這個業務的。

往遠了説，光譜分析不僅可以用在氣象衞星上，我們還可以通過光譜分析去研究宇宙，去觀測研究其他行星的天氣，帶有這種功能的航天器，某種程度上可以算是 " 宇宙氣象衞星了 "。比如韋布空間望遠鏡拍到的這幅海王星的照片。左上角的海衞一看起來完全壓倒了海王星的亮度，幾乎會被當成一顆恒星。這是因為韋布望遠鏡在紅外波段觀測，海衞一表面有豐富的水冰，對陽光（包括紅外線）的反照率很高，而海王星大氣中的甲烷成分卻能吸收紅外線，所以整體就暗下來了。海王星表面的亮條和斑點，則是甲烷和水構成的冰的高反射區，它們的分布勾勒出了海王星上的暴風。