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隐匿的守护者,神秘的护盾 ——大气窗

石头科普工作室

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每天早晨我们睁开双眼看见阳光,是否想过,在太阳至地球近地表这么远的路程里,太阳辐射在大气中经历了哪些“阻碍”?太阳辐射中的高能短波辐射为什么没能伤害到我们?光路中难道存在某些肉眼看不见的神秘力量吗?

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神奇的大气窗

我们将太阳视为一个温度为5250℃的黑体,大多数太阳辐射以0-25微米的波长发射,其辐射光谱如图1黑色实线所示(理论曲线),在大气层顶部接收的太阳辐射如图1中黄色区域所示,但在海平面上,实际接收到的辐射仅剩图中红色部分,此时的辐射曲线呈锯齿状,有许多大小不一的凹槽,说明在自大气顶至地面的大气层中,很多太阳辐射被消耗掉或者被阻挡了,为什么会出现这种情况呢?

图1 太阳辐射光谱

实际上,通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气体所吸收,这些辐射在某些波段几乎被吸收殆尽,比如氧气和臭氧在大气中高层吸收了大量短波紫外线,从而保护了人类;而在另一些波段太阳辐射则畅通无阻,不会被明显吸收,太阳辐射和地球大气辐射可以像光通过窗户那样透过大气,这些波段称做大气窗

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大气窗的分类

简单来说,大气窗是电磁频谱中可以通过大气传输的部分,而吸收带是电磁频谱中难以通过大气传输的部分。按照波段的不同,大气窗分为可见光窗区红外窗区射电窗区。 

在整个大气层中,没有哪一种气体可以有效吸收0.3-0.7微米波长的辐射,这个波段对应可见光波段,占太阳辐射能量的43%。因此,可见光能够穿透大气并被视觉捕获,我们才能看见五彩斑斓的世界,这就是可见光窗区。值得注意的是,虽然大气气体对可见光波段吸收很少,但是大气分子和气溶胶对该波段的散射很强,故近地面接收的可见光辐射小于天顶处的辐射。

在太阳的加热作用下,地球向外发出长波红外辐射,大气层通常是地球发射长波辐射的有效吸收体,其中水汽和二氧化碳是主要吸收气体,水汽在1.1、1.4、1.9、2.7、6.3微米附近和13微米以上有一系列吸收带,可以吸收地表发射辐射的60%;二氧化碳的吸收带中心位于2.7、4.3和14.7微米附近;臭氧的吸收带中心位于4.7、9.6和4.1微米附近。这些吸收带间的空隙形成了一些红外窗区,其中最主要的红外窗区是8-12微米波段(如图2所示),大气对此波段的红外线无强烈吸收,从而表现出很高的透射率。在红外波段,大气分子和气溶胶的散射衰减比可见光窗区要小得多。

图2 红外波段大气透射谱线

随着波长继续变大,我们发现了另一个大气窗口——300GHZ(1毫米)至10MHZ(30米)的射电窗区。此窗区的短波端,属于微波范围,故也称为微波窗区。在此窗区内存在以氧分子吸收为主的2.53mm和5mm的吸收带,以及以水汽吸收为主的1.64mm和1.35cm的吸收带,为避开这些吸收带,微波窗区常用的波长为3.3mm、8-9mm和3cm。

图3  地球大气窗口

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大气窗的应用

由于气体的吸收作用,工程师在设计卫星时,就不得不利用大气窗了。举个例子,如果要在卫星上放置一个辐射仪,用以接收来自地球的辐射,我们应该怎样选择这个辐射仪的接收通道呢?或是说仪器接收到的哪个波段的辐射被大气吸收更少,更接近地球真实的发出的辐射?

根据以上知识,我们会立马想到可见光窗区和红外窗区,因为若是随意选取波段很容易被大气衰减,导致遥感影像暗淡。所以没错,我们的卫星云图,主要有可见光云图、红外云图、水汽图等等。

可见光云图与我们用照相机拍照很相似,都是反光成像原理,拍到什么就呈现什么,云图上的黑白程度反映了反射太阳光能力的大小:白色代表地物反射能力强,比如积雪、冰冻的湖泊,或者很厚的云层;黑色或灰色表示反射能力弱,比如植被区和陆地森林覆盖区。可见光云图的优点是可以区分地面和低云,能捕捉到云的轮廓、纹理等细节,比如图4a中我们可以看到台风眼区的低云,以及外围清晰的螺旋云系,图4b中可以看到低压系统中的细胞状云系。各类云的边界形状不同,有的是直线,有的是弧形,有的边界整齐光滑,有的边界模糊不清。

图4可见光云图,a:涡旋云系,b:细胞状云系

但太阳落山后,没有阳光能够被地物反射回太空,我们的可见光云图就什么也看不见了,因此它只适用于白天,夜间无法使用。

图5 夜间的可见光云图,什么也看不见

红外云图是卫星在10.5-12.5微米通道得到的云图,它的原理是温度成像,不同温度的物体发出的辐射值不同,根据卫星接收到的信号就可以大致推测出物体的温度。红外云图上的黑白程度反映了被测物体温度的高低,黑色表示温度高,白色表示温度低。图6中,由于台风内部对流旺盛,云体发展很高,云顶温度很低,所以在红外云图中呈现白色,类似的,成熟的积雨云团和卷云在红外云图上也呈亮白色;晴空区与云雨区之间的过渡区,为灰色云系;若是地表温度很高,如夏季白天沙漠地区和温暖的洋面,云图色调就会很黑。红外云图的优势是白天夜晚都能使用,缺点则是分辨率差、对比度低、信噪比低、视觉效果模糊。

图6 风云4A红外云图捕捉的台风“苏拉”

那么,如果我们并不想了解地物发出的辐射,而是想知道水汽、二氧化碳等气体在大气中的含量,该怎么办呢?答案也很简单,我们只需要将它们的吸收带作为观测通道,再根据辐射传输方程,就能够反演水汽、云水含量和降水等大气参数。

射电窗区的用途同样十分广泛,气象卫星和卫星通信的波长都选在了射电窗区,拿星载测雨雷达举例,其探测目标是地球上的降水粒子,若是雷达发射的波长很短,就很容易被大气分子和气象目标物吸收和散射,导致反射回太空的信号很微弱,所以我们必须要使用毫米或厘米波,增强其穿云透雨的能力。

图7 雷达探测降水示意图

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结语

到这里大家对大气窗的概念已经有所了解了,但小编还想提醒大家,大气窗区并不是完全透明,实际上仍存在大气分子、气溶胶、云雾以及降水水滴及冰晶粒子对辐射的吸收和散射,造成探测数据的污染。因此在科研及实际应用中,大气修正一直是一项极其重要且困难的工作。

最后的最后来考考大家,从我们微信首页的云图,你可以看见哪些形状的云系?能不能试着找出一些天气系统呢?

图8 微信首页卫星云图

参考文献

1.《气象学与生活》,2016,电子工业出版社

2. 王飞翔, 郭杰, 许方宇, 张雨辰, 陈双远, 肖建国, 贾钰超, 罗宏, 赵志军. 不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量[J]. 中国光学(中英文), 2019, 12(4): 843-852.

3.百度百科:大气窗

发布于:安徽

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