新型卫星传感器让夜晚的地球近乎白昼

没有人喜欢对周围发生的事情“一无所知”，尤其是在危难时刻。然而，当黑夜笼罩大陆或海洋时，科学家和预报员突然失去了可见光范围内的重要卫星图像——这些信息可以揭示出旋转的风暴、令人窒息的野火浓烟、威胁船只的大块海冰等等。

一种名为“昼夜 band”的新型传感器正在开始填补这一空白。作为 Suomi-NPP 卫星上搭载的可见光红外成像辐射仪套件的一部分，该仪器非常灵敏，可以测量单个路灯的光芒、漆黑的大西洋中部一艘孤舟的甲板灯，或者北大科他州广阔油田上闪烁的天然气火炬。即使在无月之夜，该传感器也能辨别出云层和雪原，它们被大气自身微弱的夜间辉光照亮。

在过去的三年里，使用该传感器的研究人员已经看到了地球力量的迷人特征，包括强雷暴向大气高层发射出的巨大能量波。他们还提高了预报员就飓风路径向居民发出警告的能力，帮助消防员监测不断变化的致命烟雾，并引导迷失的船只避开移动的海冰流[见下图]。

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昼夜 band 本身就非常有用，它还可以补充红外传感器，红外传感器难以识别在夜间倾向于与周围环境融为一体的低云和积雪覆盖。更重要的是，科学家们开始将昼夜 band 数据与软件合并，以指定给定夜晚月光的量，帮助他们确定云层的反射率，从而确定云层包含多少水分。预报员可以使用这些信息来预测云层将如何影响地面夜间温度，并协助飞行员避免飞机上的危险结冰条件。这些数据还可以改善高纬度地区社区的日常天气预报，这些地区常年处于永夜状态，无法获得有关周围不断变化的天气状况的关键夜间信息。

如今，只有一个昼夜 band 传感器在太空中运行。Suomi-NPP 由美国国家海洋和大气管理局运营，在 500 英里高的轨道上飞行，与太阳同步，因此它仅在当地时间下午 1:30 左右以及凌晨 1:30 左右经过任何给定地点。如果此类传感器被安装在地球静止轨道上空盘旋的卫星上，科学家们就可以记录世界灯光的连续电影，而不是快照。

这种夜视技术的一个可能平台是 NOAA 目前正在规划的未来地球静止业务环境卫星 (GOES) 系列，计划于 2030 年代发射。如果它们携带像昼夜 band 这样的传感器，研究人员就可以确定陆地和海洋上不断变化的灯光特征，并整夜监测云层、降雨、浮油、火灾、烟雾、沙尘暴、火山和冰。他们还可以追踪在禁区非法捕鱼的船只，并帮助定位失事飞机，例如最近的马来西亚航空、阿尔及利亚航空和亚洲航空的灾难。  

飓风猎手

了解飓风眼的精确位置至关重要，因为最强烈的风和最高的风暴潮都发生在飓风眼周围。更精确的追踪可以挽救生命，影响当地应急管理人员关于疏散的决策，并通过优化安全人员和救灾资源的部署节省数百万美元。

2013 年 7 月 28 日，飓风弗洛西正在逼近夏威夷大岛。天气预报员正在密切监测其移动，但随着夜幕降临，他们失去了对飓风眼的视线。高层卷云遮蔽了风暴较低层环流中心，使其无法被上方卫星上的红外传感器探测到（黑白图像）。随着夜色渐深，预报员越来越感到不安，担心可能会出现“日出惊奇”——他们认为自己正确追踪了飓风的夜间路径，但却在日出时意识到，由于高层风切变和引导风暴，飓风中心已偏离最深的云层。

幸运的是，搭载新型昼夜 band 传感器的卫星在黎明前的几个小时飞过头顶。它穿透了高而薄的云层（彩色图像中为蓝色），显示了飓风的近地面环流（黄色）。图像显示，风暴中心比预期的更偏北（蓝色圆圈中西北方向的偏移），对该岛的威胁较小。檀香山国家气象局办公室的预报员迅速发布了凌晨 5:00 的预报，通知应急人员修订后的风暴路径，避免了不必要的疏散，并节省了数千美元的费用。

海上救援

渔船“基斯卡海”号是白令海捕蟹船队中的美国成员，该船队曾在热门电视剧《致命捕捞》中被跟踪拍摄。2014 年 2 月，强劲的北风袭击了白令海中部，迅速将自由漂浮的海冰推入船队部署了被称为“蟹笼”的捕蟹陷阱的区域。2 月 10 日，“基斯卡海”号上的船员，当时是最北端的船只，联系了阿拉斯加州安克雷奇的国家气象局海冰计划，询问其 150 个蟹笼附近的海冰状况，每个蟹笼都有特大号床那么大。

气象局证实海冰正在逼近。“基斯卡海”号驶入以回收蟹笼，并与海冰计划人员保持联系。但在 2 月 13 日，该船发现自己被海冰包围，其中一些海冰的厚度超过三英尺。为了避免倾覆或挤压，“基斯卡海”号必须迅速脱困，但短暂的白天和无月的夜晚使航行变得危险。海冰计划使用昼夜 band 数据找到了该船的灯光，准确地确定了其位置（左图中心的小白点；其他船只在右下角可见）。该传感器还描绘了当前冰缘的轮廓，冰缘被大气微弱的“夜辉光”照亮（锯齿状线条从右上方向下移动）。

凭借这些精确的信息，气象局人员帮助船长绘制了一条安全的西南航线，驶出了不断移动的冰层。地球大气层的“夜灯”帮助引导“基斯卡海”号驶向安全地带。

穿透烟雾

美国西部地区的野火正在增加，部分原因是多年干旱。白天与这些猛烈火灾作斗争的消防员经常在夜间失守，因为夜间难以追踪危险的烟雾和被烟雾遮蔽的火线。野火还会产生强劲且不断变化的风，从而改变火势的速度和方向，使消防员突然陷入危险之中。烟雾的温度迅速冷却至周围大气的温度，使得这些小颗粒羽流在夜间几乎对红外卫星传感器不可见。传感器还经常错过火线上的小火点。

夜间无法扑灭大火令人沮丧，因为较低的温度、较高的湿度和较小的风力使夜间成为取得优势的理想时段。低光传感器可以提供帮助，正如 2013 年加利福尼亚州林火的图像所示（上图）。首先，当有月光时，传感器通常可以清晰地显示烟雾羽流，为消防员提供可靠的预警（右上手图像；左下方图像中缺少烟雾，该图像为红外图像）。其次，传感器可以更准确地确定火线的位置，包括任何小火点（右上角图像中的更多细节）。羽流还包含有关扇动火焰的近地面风力的宝贵信息。右侧图像显示强劲的南风将烟雾向北吹；消防员最好从其南翼攻击火灾。

我们的大气夜灯

即使在无月之夜，远离任何灯光，您也可以在“黑色”天空的映衬下看到您手的模糊轮廓。这是因为高层大气中复杂的化学反应会发出微弱的光。国际空间站上的宇航员定期记录这种夜辉光，但其详细结构一直难以捉摸。当昼夜 band 传感器的数据显示，在靠近雷暴的夜晚收集到的数据中似乎出现了夜辉光的特征时，使用该传感器的研究人员感到震惊。图像显示了辉光中特有的涟漪。雷暴内部释放的能量会向上发射大气波。当这些波在一两个小时后到达离地面 55 至 60 英里的高度，接近中间层顶部时，它们会扰乱夜辉光层，形成发光的同心涟漪。与其他场合一样，该传感器在 2014 年德克萨斯州的一次大规模雷暴中捕捉到了这种效应（右图）。

这些波不仅仅是奇观；它们携带驱动高层大气环流的能量。昼夜 band 传感器探测波和涟漪的能力正在填补高层大气动力学模型的空白，帮助研究人员更好地预测天气和了解气候变化。地面观测还将夜辉光波与重大地震联系起来，包括 2011 年在日本东北地区附近引发毁灭性海啸的地震。似乎地震运动会在大气中产生向上移动的压力波。昼夜 band 传感器有可能通过追踪海啸上方的大气波来帮助科学家识别跨越海洋盆地的海啸。