卫星传感器揭示地球夜间秘密

一种新型地球观测卫星传感器能够观测夜间自然和人造可见光源，正在为科学家、气象学家、消防员和城市规划者提供大量高质量信息。“昼夜波段 (DNB)”传感器非常灵敏，它可以在 800 公里高的有利位置测量单盏路灯的光芒。借助月光，DNB 几乎可以像传统的白天观测一样精确地观测云、雪和海冰。即使在没有月亮的夜晚，该传感器也可以探测到调节大气自身微弱光芒的高空压力波。

我在 2015 年 5 月的《大众科学》杂志上的“夜间观察”中介绍了这项新技术的几个主要应用。此处重点介绍了一些强调人为因素的附加功能，这些功能进一步证明了 DNB 如何帮助陆地和海洋的研究和运营社区。（有关 DNB 的详细信息——可见红外成像辐射套件的一部分，该套件在 Suomi 国家极轨伙伴卫星上飞行——可以在 http://www.mdpi.com/2072-4292/5/12/6717 找到）。总的来说，DNB 正在帮助我们认识到，夜晚远没有我们想象的那么黑暗——而且在夜间环境中运行时，我们不再需要“在黑暗中”。

鱿鱼船洗牌

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*图片来源：NASA 地球观测站*（鱿鱼船卫星图像）。*地平线上的船照片由维基共享资源提供*

夜晚广阔的电灯网络显示了文明与地球作为一个有机体的联系有多么紧密。但它也可以对当前人类的分裂状态提供辛辣的评论。区域照明的急剧变化通常描绘出贫困和经济繁荣的地区，这也许在朝鲜大部分黑暗地区和灯火通明的韩国（左图中心）的并置中最为突出。

鱿鱼船队有时也提醒我们注意我们之间的分歧。DNB 可以探测到单个船只，每艘船只都像黑暗海水中的一个光点。这些船只使用高功率灯来吸引鱿鱼到水面，就像飞蛾扑火一样（右图）。这些船只通常成群结队地聚集在一起，追逐鱼群从一个夜晚到下一个夜晚。有时，它们形成的集群的方向以一种良性的方式与自然特征联系在一起，例如有助于形成高产水域的海面边界。但在黄海和东海地区，我们可以看到，这些船只经常毗邻政治边界，这些边界界定了中国、韩国和日本共享（临时）和专属捕鱼权的区域。

据当地人说，这些不寻常的排列方式有两个可能的原因：一个原因与另一个国家的船只试图尽可能靠近鱿鱼更多的水域有关。但另一个原因纯粹是政治性的——沿着这些边界的船舶密度有效地阻止了进入“共享”水域，并且可能是与周边国家之间的领土争端相关的被动武力展示。这在某种程度上是一场冷战，但也是一场湿战，因为海岸警卫队舰艇使用水炮来阻止渔船。韩国、日本和泰国的机构以及秘鲁、阿根廷和英国现在都在定期请求昼夜波段数据，以查看是否有船只非法捕鱼。

船舶尾迹，而非飞机凝结尾迹

在竞争较少的水域，我们也看到了夜间海事界的有趣影响。我们都熟悉喷气式飞机尾气如何改变大气，形成称为飞机凝结尾迹的云——那些穿过天空的细长白色条纹。最近的研究表明，飞机凝结尾迹可能非常显着，足以抑制阳光照射到地面。船舶尾气也与类似的影响有关；流出物会改变海洋边界层——极低层大气中的云层。

DNB 很容易探测到夜间的这些“船舶尾迹”。左图显示了加利福尼亚州下加利福尼亚州沿海地区的流出物如何改变云微物理。烟雾颗粒充当水凝结的焦点，导致大量额外的小云滴，形成从上方看起来像飞机凝结尾迹的轨迹。这些轨迹的细节可以在右图中看到；形成了船舶路径的痕迹。每个轨迹前端的亮点是卫星飞越并捕获图像时船舶的灯光。

观察云层中这些变化的能力不仅仅是对夜间航行的船舶的有趣评论。与飞机凝结尾迹一样，船舶尾迹对气候也有一些重要的影响。云层在白天减少到达地面的阳光，并在夜间保持地面热量。空气污染引发的云层特性变化会改变地球的热量预算；即使云层的微小变化也可能产生重大影响。

拉斯维加斯不眠夜

昼夜波段最引人注目的图像也许是来自世界各地的城市灯光。它们最常以斑驳的集中亮度斑块出现，尽管传感器可以分离出每个像素。灯光的数量和强度与经济活动和（显而易见地）电力消耗有关，并且这些数据已开始用于跟踪二氧化碳排放量的模型中。

光“污染”也越来越受到关注。它严重影响夜间野生动物的迁徙、捕食甚至生理功能，并扰乱了天文学家观测上方天空的尝试。研究人员开始使用 DNB 数据来帮助规划者减少主要城市的光污染。他们首先测量城市灯光的天空辐射，传感器可以以极大的空间和强度细节确定（顶部图像，拉斯维加斯）。然后，他们将数据用于模型中，以模拟城市上空的“光穹顶”，并确认它准确地代表了实际观测结果（中间图像）。然后，研究人员可以操纵模型来模拟如果建筑物和道路使用屏蔽灯光（使其不会产生如此多向上照射到大气中的光）会如何减少光污染（底部图像）。此类信息有助于规划者衡量给定照明策略的影响，并改善我们对环境的管理。

更快的搜索和救援

由于城市灯光在夜间或多或少保持稳定，因此变化在 DNB 图像中很容易突出显示。无论是暴风雨造成的停电，还是饱受战争蹂躏的叙利亚被点亮的建筑物被摧毁，还是圣诞节和斋月期间安装的节日彩灯，DNB 都提供了独特的视角。

有时，一盏孤独的灯光诉说着不可估量的悲剧。2014 年 7 月 24 日，载有 110 名乘客和 6 名机组人员的阿尔及利亚航空 5017 航班在飞行员请求绕过雷暴的改道航线后，从雷达上消失。飞机坠毁，机上人员全部遇难。携带 DNB 的 Suomi 卫星恰好在坠机事件发生后几分钟飞越该区域。它捕捉到了强雷暴复合体中的闪电，并在恶劣天气以北，在马里中南部无人居住的广阔区域发现了一个孤立点光源的光芒。光源的位置与第二天对坠机现场的侦察结果完全吻合；DNB 探测到了燃烧残骸的火焰。

为了从这场悲剧中汲取一丝希望，我们可以想象未来，像 DNB 这样的弱光传感器被安装在覆盖全球的地球静止卫星上。测量结果将在几分钟内更新一个区域，这可以指导搜救队前往灾难现场——也许在某些情况下，可以及时挽救生命。