新型衛星感測器讓夜晚的地球近乎白晝

沒有人喜歡對周圍發生的事情“一無所知”，尤其是在危難時刻。然而，當黑夜籠罩大陸或海洋時，科學家和預報員突然失去了可見光範圍內的重要衛星影像——這些資訊可以揭示出旋轉的風暴、令人窒息的野火濃煙、威脅船隻的大塊海冰等等。

一種名為“晝夜 band”的新型感測器正在開始填補這一空白。作為 Suomi-NPP 衛星上搭載的可見光紅外成像輻射儀套件的一部分，該儀器非常靈敏，可以測量單個路燈的光芒、漆黑的大西洋中部一艘孤舟的甲板燈，或者北大科他州廣闊油田上閃爍的天然氣火炬。即使在無月之夜，該感測器也能辨別出雲層和雪原，它們被大氣自身微弱的夜間輝光照亮。

在過去的三年裡，使用該感測器的研究人員已經看到了地球力量的迷人特徵，包括強雷暴向大氣高層發射出的巨大能量波。他們還提高了預報員就颶風路徑向居民發出警告的能力，幫助消防員監測不斷變化的致命煙霧，並引導迷失的船隻避開移動的海冰流[見下圖]。

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晝夜 band 本身就非常有用，它還可以補充紅外感測器，紅外感測器難以識別在夜間傾向於與周圍環境融為一體的低雲和積雪覆蓋。更重要的是，科學家們開始將晝夜 band 資料與軟體合併，以指定給定夜晚月光的量，幫助他們確定雲層的反射率，從而確定雲層包含多少水分。預報員可以使用這些資訊來預測雲層將如何影響地面夜間溫度，並協助飛行員避免飛機上的危險結冰條件。這些資料還可以改善高緯度地區社群的日常天氣預報，這些地區常年處於永夜狀態，無法獲得有關周圍不斷變化的天氣狀況的關鍵夜間資訊。

如今，只有一個晝夜 band 感測器在太空中執行。Suomi-NPP 由美國國家海洋和大氣管理局運營，在 500 英里高的軌道上飛行，與太陽同步，因此它僅在當地時間下午 1:30 左右以及凌晨 1:30 左右經過任何給定地點。如果此類感測器被安裝在地球靜止軌道上空盤旋的衛星上，科學家們就可以記錄世界燈光的連續電影，而不是快照。

這種夜視技術的一個可能平臺是 NOAA 目前正在規劃的未來地球靜止業務環境衛星 (GOES) 系列，計劃於 2030 年代發射。如果它們攜帶像晝夜 band 這樣的感測器，研究人員就可以確定陸地和海洋上不斷變化的燈光特徵，並整夜監測雲層、降雨、浮油、火災、煙霧、沙塵暴、火山和冰。他們還可以追蹤在禁區非法捕魚的船隻，並幫助定位失事飛機，例如最近的馬來西亞航空、阿爾及利亞航空和亞洲航空的災難。  

颶風獵手

瞭解颶風眼的精確位置至關重要，因為最強烈的風和最高的風暴潮都發生在颶風眼周圍。更精確的追蹤可以挽救生命，影響當地應急管理人員關於疏散的決策，並透過最佳化安全人員和救災資源的部署節省數百萬美元。

2013 年 7 月 28 日，颶風弗洛西正在逼近夏威夷大島。天氣預報員正在密切監測其移動，但隨著夜幕降臨，他們失去了對颶風眼的視線。高層捲雲遮蔽了風暴較低層環流中心，使其無法被上方衛星上的紅外感測器探測到（黑白影像）。隨著夜色漸深，預報員越來越感到不安，擔心可能會出現“日出驚奇”——他們認為自己正確追蹤了颶風的夜間路徑，但卻在日出時意識到，由於高層風切變和引導風暴，颶風中心已偏離最深的雲層。

幸運的是，搭載新型晝夜 band 感測器的衛星在黎明前的幾個小時飛過頭頂。它穿透了高而薄的雲層（彩色影像中為藍色），顯示了颶風的近地面環流（黃色）。影像顯示，風暴中心比預期的更偏北（藍色圓圈中西北方向的偏移），對該島的威脅較小。檀香山國家氣象局辦公室的預報員迅速釋出了凌晨 5:00 的預報，通知應急人員修訂後的風暴路徑，避免了不必要的疏散，並節省了數千美元的費用。

海上救援

漁船“基斯卡海”號是白令海捕蟹船隊中的美國成員，該船隊曾在熱門電視劇《致命捕撈》中被跟蹤拍攝。2014 年 2 月，強勁的北風襲擊了白令海中部，迅速將自由漂浮的海冰推入船隊部署了被稱為“蟹籠”的捕蟹陷阱的區域。2 月 10 日，“基斯卡海”號上的船員，當時是最北端的船隻，聯絡了阿拉斯加州安克雷奇的國家氣象局海冰計劃，詢問其 150 個蟹籠附近的海冰狀況，每個蟹籠都有特大號床那麼大。

氣象局證實海冰正在逼近。“基斯卡海”號駛入以回收蟹籠，並與海冰計劃人員保持聯絡。但在 2 月 13 日，該船發現自己被海冰包圍，其中一些海冰的厚度超過三英尺。為了避免傾覆或擠壓，“基斯卡海”號必須迅速脫困，但短暫的白天和無月的夜晚使航行變得危險。海冰計劃使用晝夜 band 資料找到了該船的燈光，準確地確定了其位置（左圖中心的小白點；其他船隻在右下角可見）。該感測器還描繪了當前冰緣的輪廓，冰緣被大氣微弱的“夜輝光”照亮（鋸齒狀線條從右上方向下移動）。

憑藉這些精確的資訊，氣象局人員幫助船長繪製了一條安全的西南航線，駛出了不斷移動的冰層。地球大氣層的“夜燈”幫助引導“基斯卡海”號駛向安全地帶。

穿透煙霧

美國西部地區的野火正在增加，部分原因是多年乾旱。白天與這些猛烈火災作鬥爭的消防員經常在夜間失守，因為夜間難以追蹤危險的煙霧和被煙霧遮蔽的火線。野火還會產生強勁且不斷變化的風，從而改變火勢的速度和方向，使消防員突然陷入危險之中。煙霧的溫度迅速冷卻至周圍大氣的溫度，使得這些小顆粒羽流在夜間幾乎對紅外衛星感測器不可見。感測器還經常錯過火線上的小火點。

夜間無法撲滅大火令人沮喪，因為較低的溫度、較高的溼度和較小的風力使夜間成為取得優勢的理想時段。低光感測器可以提供幫助，正如 2013 年加利福尼亞州林火的影像所示（上圖）。首先，當有月光時，感測器通常可以清晰地顯示煙霧羽流，為消防員提供可靠的預警（右上手影像；左下方影像中缺少煙霧，該影像為紅外影像）。其次，感測器可以更準確地確定火線的位置，包括任何小火點（右上角影像中的更多細節）。羽流還包含有關扇動火焰的近地面風力的寶貴資訊。右側影像顯示強勁的南風將煙霧向北吹；消防員最好從其南翼攻擊火災。

我們的大氣夜燈

即使在無月之夜，遠離任何燈光，您也可以在“黑色”天空的映襯下看到您手的模糊輪廓。這是因為高層大氣中複雜的化學反應會發出微弱的光。國際空間站上的宇航員定期記錄這種夜輝光，但其詳細結構一直難以捉摸。當晝夜 band 感測器的資料顯示，在靠近雷暴的夜晚收集到的資料中似乎出現了夜輝光的特徵時，使用該感測器的研究人員感到震驚。影像顯示了輝光中特有的漣漪。雷暴內部釋放的能量會向上發射大氣波。當這些波在一兩個小時後到達離地面 55 至 60 英里的高度，接近中間層頂部時，它們會擾亂夜輝光層，形成發光的同心漣漪。與其他場合一樣，該感測器在 2014 年德克薩斯州的一次大規模雷暴中捕捉到了這種效應（右圖）。

這些波不僅僅是奇觀；它們攜帶驅動高層大氣環流的能量。晝夜 band 感測器探測波和漣漪的能力正在填補高層大氣動力學模型的空白，幫助研究人員更好地預測天氣和了解氣候變化。地面觀測還將夜輝光波與重大地震聯絡起來，包括 2011 年在日本東北地區附近引發毀滅性海嘯的地震。似乎地震運動會在大氣中產生向上移動的壓力波。晝夜 band 感測器有可能透過追蹤海嘯上方的大氣波來幫助科學家識別跨越海洋盆地的海嘯。