天文臺在哪建，遙感衛(wèi)星能否說了算？| 賽先生天文
在“觀天”也需“地利”，望遠鏡如何選址？那期推送中，我們一起聊到了，在傳統(tǒng)的夜天文當中，光學紅外波段望遠鏡臺址是怎樣選擇的。那么有的朋友就問了，既然我們已經(jīng)往太空中發(fā)射了很多衛(wèi)星，有沒有可能利用這些衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，來選擇合適的天文臺址呢？今天，我們就一起來看看遙感衛(wèi)星在其中的重要作用。
撰文 | 馮麓
帕洛瑪天文臺上空的乳狀積云?？梢韵胍姡^測者當晚要碰到這樣的天氣就可以回家休息了。
圖片源自：http://palomarskies.blogspot.com/2010/08/mammatus-clouds-over-palomar.html
具體而言，臺址的地理位置這個很好理解，它決定了位于觀測者頭頂上的天空所對應(yīng)的天區(qū)。有了地理位置也就能確定我們能看到哪些天體。而云量的多少則決定了在觀測方向上是否能夠在一段時間內(nèi)持續(xù)地對目標進行觀測。對于測量天體亮度（測光）的觀測，即使在視線方向出現(xiàn)少到肉眼不可見的高空云都會使最終的測光結(jié)果產(chǎn)生難以消除的誤差。在進行天體光譜觀測的時候，由于測量的是譜線和譜線間亮度的相對值，觀測中間偶爾出現(xiàn)的云雖然會讓來自天體的信號減弱一些，但相對測光的影響就小多了。所以，對于天文臺址而言，云量的判別是根據(jù)觀測的內(nèi)容有所區(qū)分的：全年夜間可以進行連續(xù)數(shù)小時測光觀測的占比有多少，能進行連續(xù)光譜觀測的占比又是多少，都需要定量判斷。
全天相機（左）和它所拍攝的星空（右）。
圖片源自：J. F. Wang, et al, Introduction to the Environmental Monitoring Instrument for LOT, RAA, 2020.
云量的監(jiān)測對于已建成的地基天文臺或是觀測站而言并不困難。通常采用全天相機對天頂方向進行從天頂?shù)降仄饺较虻挠^測（上圖），并對圖像當中可能出現(xiàn)的云進行辨識和統(tǒng)計，便可以得到當?shù)氐脑屏繑?shù)據(jù)。但是對于尚未建站，還需要在全國甚至全球?qū)ふ遗_址的選址初期而言，這種方法所能覆蓋的區(qū)域?qū)嵲谑翘?。這一點和氣象學家恰好不謀而合，早在上世紀60年代，人類第一顆氣象衛(wèi)星就攜帶了紅外相機，用于云量監(jiān)測。盡管它的壽命僅維持了短暫的78天，但它的成功運行卻標志著我們?nèi)祟惤K于可以從地球外的角度看到地球上空云量的大尺度變化（下圖），驗證了遙感衛(wèi)星監(jiān)測地球云量技術(shù)的可行性。
TIROS1（左）和其觀測到的大西洋上空的氣旋。
圖片源自：https://www.britannica.com/technology/TIROS。
盡管聽上去全球范圍的云量監(jiān)測問題已經(jīng)解決了。但實際上從遙感衛(wèi)星拍攝下來的照片，到真正的地球上空每一處的云量變化卻并非易事。讓我們再看一下圖3中早期氣象衛(wèi)星所拍攝到的內(nèi)容：1.這是一幅黑白照片，白色仿佛是云，但也有可能是其他地表特征；2.如果白色的部分是云，那它們的高度又是如何，高空云層下方是否還存在低空云層；3.在觀測的范圍內(nèi)，觀測的角度是不同的，而且范圍也有限，更不要提是否能從這張圖中南美大陸兩個山頭上的云量是否存在區(qū)別。而這幾點，卻幾乎是所有遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一定會面臨的問題。
三臺氣象遙感設(shè)備VIIRS，MODIS，SeaWiFS的觀測波段。橫軸是觀測對應(yīng)的波長。有顏色覆蓋的部分是儀器所能觀測的波段。
圖片源自：https://deepblue.gsfc.nasa.gov/science。
拍攝前面圖中大西洋上空氣旋所使用的相機，更合適的叫法應(yīng)該被稱作“輻射計”。它接收到的是來自地面不同角度發(fā)射出來的輻射。這就像咱們?nèi)搜蹫槭裁茨軌蚩吹绞挛铮科湓蛞彩且驗槭挛锉旧碓谙蛲廨椛?。這些輻射被我們的眼睛所接收。根據(jù)我們對事物形狀大小、顏色濃淡、透明度、反射度（另稱作反射率）等等的既往認識，我們就大致可以判斷事物材質(zhì)、溫度等等信息。對于遙感衛(wèi)星所拍攝的照片，我們也同樣需要重新建立起類似人眼視覺/事物性質(zhì)之間的聯(lián)系。這種通過探測設(shè)備獲取的信號結(jié)合我們已知的物理關(guān)系進而得到地面或者大氣信息的過程就叫做“遙感反演”。同樣拿我們自己來做類比，如果我們在觀察一個物體的時候能夠充分利用到我們的感官，比如，形狀、顏色、觸感、敲一敲發(fā)出的聲音等等，那我們就可以更清楚地了解到物體本身的性質(zhì)。正是因為如此，遙感衛(wèi)星上通常會在多個波長上進行觀測。像高空、低空的云層、地面的積雪等等，盡管在可見光波段看上去都是白色的，但由于生成機制不同，在其他的波段上就會有不同的反應(yīng)。將這些波段的信號和物理模型相互結(jié)合起來就可以得到例如云量、氣溶膠、風場、溫度場在大尺度范圍的空間分布情況。尤其是當遙感衛(wèi)星使用臨邊探測技術(shù)時，還可以得到同一種物質(zhì)在不同高度上的分布（下圖）。而這些正是我們天文選址初期最想要知道的內(nèi)容。
臨邊探測（Limb Sounding），遙感衛(wèi)星將以一定角度而非垂直向下進行觀測。這種方式的最大優(yōu)勢在于可以通過相對簡單的模型反演出物質(zhì)在不同高度大氣層中的分布。
無論是繞著地球一圈圈旋轉(zhuǎn)的極軌衛(wèi)星，又或是處于同步軌道相對地球靜止的同步遙感衛(wèi)星，隨著它們在軌不斷進行觀測，我們就可以獲得連續(xù)的隨時間變化的云量、水汽、氣溶膠、風場、溫度場等參數(shù)在全球的分布及其長期的變化方式。但由于極軌衛(wèi)星環(huán)繞完整個地球終歸還是需要一定時間，對于地球上的某一區(qū)域，一天之內(nèi)衛(wèi)星能夠光顧這個區(qū)域的次數(shù)通常還是非常有限。而地球同步衛(wèi)星雖然可以連續(xù)不斷的對同一個區(qū)域進行觀測，即數(shù)據(jù)的時間分辨率非常高，但它所能覆蓋的空間范圍確往往非常有限，僅能針對一個區(qū)域觀測。盡管兩者都存在短板，但結(jié)合它們所獲得的空間尺度大、時間跨度長的大量數(shù)據(jù)我們就可以對臺址的選擇進行跟人口普查類似的研究。
美國航天局Terra氣象遙感衛(wèi)星的運行軌道。
圖片源自：https://nsidc.org/sites/nsidc.org/files/terra_tracks.20050215.gif
下圖左邊這張圖片來自TERRA氣象衛(wèi)星上的中分辨成像光譜輻射計MODIS所生成的2005年7月11日當日全球的云量數(shù)據(jù)。這樣全球的云量數(shù)據(jù)MODIS每1-2天會生成一張。在這張圖上我們可以看到當年7月中與湍流流形非常近似的云量的復(fù)雜空間分布：在南半球夏季寬度達到巔峰的西風帶所夾帶的云層近乎影響了整個南半球的云量分布，在信風拉扯下這些云層向赤道移動耗散，分散在太平洋、大西洋、印度洋之上；在北半球情況類似，在地球三圈環(huán)流的作用下呈現(xiàn)出大致與南半球?qū)ΨQ的云量分布(下圖右)，但由于北半球地表面積更大，地表特征更豐富，地表溫度場相較南半球大部分都是海洋表面分布更為復(fù)雜，所以云層更多的受到“局部”氣候的影響。但無論如何，我們從這張圖上可以發(fā)現(xiàn)幾個大區(qū)域相對地球的其他區(qū)域呈現(xiàn)出明顯云量稀少的特征。這些區(qū)域就包括了南美智利，美國加州及亞利桑那州，非洲大部及加納利群島，中東及西亞若干斯坦國，太平洋中部夏威夷，我國西部及西北地區(qū)，以及南北極。如果大家有興趣可以去美國航天局的地球天文臺（http://earthobservatory.nasa.gov）調(diào)取過往每天的全球云量遙感圖像。在這些圖像當中，雖然根據(jù)季節(jié)云量的分布方式會存在明顯的變化，但上面所提到的這些區(qū)域，它們的云量常年要少于其他區(qū)域?？紤]到紅外波段的星光會被大氣中的水汽吸收，水汽少也就意味著紅外波段的觀測性能好。
我們這顆藍色星球的上空有著復(fù)雜多變的云量分布。左邊這張圖片是由美國航天局Terra衛(wèi)星上的中分辨成像光譜輻射計（MODIS，Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）于2005年7月11日獲取的。右邊這張圖片則是地球三圈環(huán)流的示意圖。
圖片源自：https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_cover和https://zh.wikipedia.org/wiki/大氣環(huán)流。
下圖給出了同樣來自MODIS的大氣水汽含量分布圖。我們同樣可以發(fā)現(xiàn)，剛才那些云量少的區(qū)域水汽含量也低。當然，像高、低空風場、溫度場的遙感數(shù)據(jù)也顯示出這些區(qū)域的優(yōu)越性。如果我們反觀國際上目前已建和擬建的天文臺臺址，實際上這些臺址幾乎全部坐落在上述的這些區(qū)域。這也從一方面說明了用遙感數(shù)據(jù)從大范圍尋找可能的天文臺址的可行性。
大氣水汽含量在全球的分布。顏色越藍，水汽含量越少。
圖片源自：https://zh.m.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Water_Vapor_Mean.2005.030.jpg。
實際上遙感數(shù)據(jù)除了空間覆蓋廣之外，更好的一點是時間跨度長且相對連續(xù)。我們可以從中得到特定區(qū)域在長達數(shù)年或是十數(shù)年間每一天甚至于每十幾分鐘（這就需要借助地球同步軌道衛(wèi)星了）相關(guān)氣象參數(shù)的變化。這對綜合判斷一個臺址的優(yōu)良水平，分析、預(yù)測其季節(jié)間的氣候變化趨勢有著重要的意義（下圖）。
我國西部在2003-2015年間云量在不同月份的分布。
圖片源自【1】
但正如我們在前面幾篇講天文技術(shù)的文章當中想要的傳達一樣，所有的技術(shù)都有利有弊。盡管在大空間尺度、大時間跨度上利用遙感數(shù)據(jù)尋找天文臺址有其優(yōu)越性，但最終，我們的臺址是要建在一個特點的點上。這個點往往僅是一個山頭的大小，在遙感數(shù)據(jù)里可能連一個像元（pixel）都填充不滿。這也就是說，遙感數(shù)據(jù)里面給出云量的很有可能是這幾公里乘幾公里范圍內(nèi)的平均值。舉個極端的例子，或許這個山頭占地面積非常小，卻又非常的高，高到它位于低空云層的高度之上，顯然，這個山頭的實際云量就會小于平均這片的平均值。當然這個例子非常極端，下圖給出了正常的天文臺和遙感數(shù)據(jù)像元大小的比較。該圖中，仍然可以看出氣象遙感數(shù)據(jù)在空間分辨率上的劣勢。除此之外，由于遙感數(shù)據(jù)在判斷云量、風場、水汽等方面需要依據(jù)一定的模型進行反演，模型的準確性同樣會影響反演結(jié)果的精度。同時，由于衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn)需要一定時間，對同一個位置的觀測間隔還是比較長的，難以捕捉某一地點短時標的氣象變化。
正是因為以上這些原因，在通過遙感數(shù)據(jù)普查選定特定區(qū)域之后，還是離不開地面建設(shè)觀測點進行長期、連續(xù)的地面監(jiān)測。但無論如何，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠為天文選址提供重要的普查性的依據(jù)。或許未來隨著技術(shù)水平的提高，等到遙感衛(wèi)星可以補齊前面提到的這些短板的那一天，天文選址這個離不開奔波于荒山野嶺之間的工作也可以改成端坐辦公室里就可以完成了。
亞利桑那州霍普金斯山天文臺（Mt. Hopkins Observartory）位于黃圈的位置，遙感衛(wèi)星GOES-8的每一個像元的大小就是紅線畫出的格子的大小。圖片源自【2】
參考文獻：
1.Z.H.Cao, et al, Long-term Analysis of Clear Nights Using Satellite Data Considering Astronomical Sites in Western China, RAA, 2020.
2.Erasmus, An analysis of satellite-based cloud cover at Mt. Hopkins Observatory and a comparison with Ground-based Observatrion, ESO, 2004.
制版編輯 | 栗子
