从太空看地球

浏览次数:937发布时间:2020-06-17 11:18:14文章分类: D心生活

从太空看地球 西元1862年美国陆军成立了热气球部队,1903年甚至还有鸽子部队,携带可定时自拍的照相机飞越特定路线,1909年莱特兄弟发明了飞机后,可以空载人们以肉眼直接观测地表。这些观测方法将我们的视野,从地面带上高空,将视角由平面几何转至三维立体空间中。然而前述的这些观测,泰半侷限于肉眼可视的可见光波段(visible band,波长0.4~0.7 微米)内,会受限于昼夜、天候等的影响,而无法即时取得想要的资讯。

在环境变迁下,针对瞬息万变的极端天气,短、中、长期等多尺度气候的监测,水文循环的应用等议题,均需要「广泛」且「多元」的观测,其中,使用人造卫星所酬载的各式感测器来协助达成我们的需求,就是最直接的方式之一。何谓「广泛」?除了我们已知因为卫星所在的高度而有不同的空间覆盖率之外,尚有其他的意涵。首先,以二种常见的气象卫星轨道来说,低地球轨道的绕极卫星(离地表约500~900公里不等),于12 小时中约可以涵盖整个地球表面,同一地点一天可以有约2次的观测,所以时间解析度较差;而地球同步卫星(距离地心约36000公里),每次的扫描就可以涵盖近半个地球的面积,且同一地点具有时间上连续观测的优点,但对于高纬度地区则因观测角度过大而欠佳,所以结合二种卫星轨道的观测,正好于时间及空间上有互补效益。此外,以前面举的肉眼观测为例,于电磁波波谱的可见光波段中,对于温度或水气等特定的物理量,欠缺辨识力,因此卫星观测也需要考量是否能够达成在频谱上广泛的需求。大气中的水气、二氧化碳、臭氧、氧气以及数种温室气体,更甚或是悬浮于其中的气胶、烟尘等,均会与电磁波频谱分类中的短波(包含可见光波段)、红外线及微波,进行交互作用。电磁波几乎是以直线方向进行,与大气中这些成分相遇后,就会有「凡走过必留下痕迹」的效应。举例来说,大气于红外线与微波等波长中,具有选择性的吸收,就像为地球系统盖了一层毯子般,将可能外逸至太空的能量留在大气里。

但是常见的云呢?这真的是非常难以「一言蔽之」的複杂系统。云对于地表外逸红外线(长波)辐射,具有强烈的吸收,而垂直发展高度甚厚的深对流系统,由于云顶非常冷(可达摄氏零下60 度或者更低),更使外逸红外线能量变少;对于微波波段呢,如果没有强烈降水等现象,对于一般常见的层云或者积云,微波可畅行无阻,不受影响的持续外逸。但有强降水或旺盛的深对流时,由地表外逸的微波就会被雨滴、云滴或冰晶所散射,导致外逸微波量改变,换言之,我们可以使用这样因散射而造成外逸微波的改变量,来推演降雨强度。而在可见光波段中呢?密实结构的云,会反射太阳短波辐射回太空,间接阻挡短波辐射进入地球系统,但薄如柳絮的卷云则会让短波辐射穿透直达地面,而强烈吸收地球系统外逸的红外线辐射,这可是地球系统加温的重要因子之一呢!因此,气象卫星这些电磁波频谱中不同波段的观测,都是属于「广泛」的範畴中。「多元」指的是?另外一方面的「多元」,就是属于观测感测器的型态。前苏联的第一颗篮球般大小的人造卫星史普尼克一号(Sputnik-1)以及美国的第一颗气象卫星泰洛斯一号(TIROS-1) 号相继于1957 年及1960 年升空后,几乎所有气象卫星的观测,受限于软硬体,均为被动式(passive)感应器,观测地表或云顶反射太阳能量后的反射率,及地球系统于红外线或微波等波段所外逸的辐射能量。近年来,卫星工程与科技的大幅进展,已可主动(active)发射微波或者短波频段的电磁波,卫星上的天线就可同步观测由云滴、雨滴的反射讯号,或者经由大气中悬浮气胶、云中冰晶等散射回卫星天线的能量,即可精确地提供前面这些大气参数于垂直方向上的分层结构,这是卫星发展超过50 年后,于近十年的一大进展。从太空看地球
还有一种掩星(radio occultation)技术,也可以得知大气热力结构,即是利用全球导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)所持续发射的定位导航讯号,于低轨道卫星接收时,因为会受到大气垂直分层结构折射的影响,而产生沿直线进行电磁波讯号间的相位、时间差异。透过这个差异,我们就可以反演出大气的垂直温溼度结构。

藉由以上的国内外气象卫星的演进与发展,我们人类得以一窥过往在地面、在不同电磁波频段的观测资讯,得以探索大气、海洋、水文循环等环境议题。常见的卫星反演参数及相关应用,不胜枚举而且无法完整罗列,让我们以后面几项做为代表。从太空看地球 2019.06.25 编按:福卫七号后续修改计画,发射的微卫星改为六颗,于台湾时间 2019 年 6 月 25 日发射。

1. 大气垂直温溼度、温室气体、地表温度等的遥测。
经由大气的窗区频道(window channel)及选择性吸收频道,我们可以求得陆地或者海水表面温度、垂直方向上的温度、溼度、温室气体浓度等。经由这些参数或者物理量,对于使用资料同化方式改进数值天气预报模式所需的初始场,天气系统的分析及诊断等,透过传统气象观测有困难的地方(例如海洋或是人烟稀少的区域),卫星观测提供不可或缺的协助。

2. 云参数、微物理参数等的遥测。
云系的消长常为天气系统的表徵,因此利用卫星可见光及红外线等观测,可以得到云顶高度、云顶温度、云滴粒径谱等云微物理参数,更可以获知云的光学厚度等性质,以及等效云量等资讯,不仅可直接应用于天气分析与预报之外,更可评析数值预报模式、气候模式中云的参数化方式及成效。

3. 地球辐射能量收支平衡监测。
影响地球能量的三个因子,分别是太阳常数、大气层顶的行星反照度及地球外逸长波辐射。这三部分,目前的气象卫星,均有全球性的长时期观测,因此可以掌握地球系统的大气辐射能量收支与趋势,且对长期天气形态的研究、气候的预测与推估有极大的助益。

4. 剧烈天气守视、动态监控及预测。
同步卫星于时间上连续的观测,配合低地球轨道卫星的资料,可对各类天气系统的动向有效地掌握及预报。例如:颱风动态及其强度,在尚未抵达地基雷达可观测範围前,可以更早了解其中心定位、路径追蹤、云雨结构、颱风强度、降雨潜势及最大风速估算等。

5. 海洋水色资料的应用。
多频道的卫星观测资料,特别是可见光及近红外线频道的观测,更可用来求取海洋水色参数,做为海洋水体悬浮粒子、叶绿素含量,甚至海洋生物量的研判参考。研究叶绿素含量的多寡及变迁,对大气碳循环乃至全球变迁等议题,均为重要影响因子,且透过海洋水色的监控,均可协助于近海表生物、非自然因素汙染等研究议题。

6. 地球重力的变化监测。
全球水循环跟气候的变化息息相关,但却难以被观测,特别是陆地上的水文过程。新的卫星遥测技术提供了一个解决方法,藉由量测两颗卫星的距离以提供高精确度与高空间分辨率下的地球重力场变化,由于水循环是影响地球重力变化的一个重要因素,因此藉由记录这两颗卫星的距离变化将可进一步了解地球上的水循环。此方法将可量化人类效应所引起的水循环变化,并可评估人类活动所导致地下水的变化以及其对于气候的回馈效应,并可用以预测全球未来的地下水资源,以及由于地下水抽取所造成的海平面上升的高度,对陆地水文研究提供新的进展。从太空看地球 结语藉由卫星遥测可让我们跳脱地球表面,客观且整体地了解地球系统中的天气与气候变化,并探讨影响天气与气候的一个重要因子——全球水的循环过程。累积过去近60年的卫星发展历程,经由检视及分析多重卫星观测资料的同时,我们已清楚地知道所处的环境已发生了不可忽略的变迁痕迹,例如:南、北两极的冰川和冰盖正在融化与崩解、格陵兰冰棚正在急速的融化、半乾燥区的地下水位一直在下降,以及连带的全球海平面正在缓步上昇。极端天气如洪涝与乾旱,发生的频率与强度与过往相比已达显着的情形。透过这些广泛客观的卫星观测,我们得以持续为地球做体检,即时监测及预警,提供天气、气候及水文等数值模拟或预报模式的初始场,并提供校验检核的参考基準。