每天早晨我們睜開雙眼看見陽光，是否想過，在太陽至地球近地表這么遠的路程里，太陽輻射在大氣中經歷了哪些“阻礙”？太陽輻射中的高能短波輻射為什么沒能傷害到我們？光路中難道存在某些肉眼看不見的神秘力量嗎？

01、神奇的大氣窗

我們將太陽視為一個溫度為 5250℃的黑體，大多數太陽輻射以 0-25 微米的波長發射，其輻射光譜如圖 1 黑色實線所示（理論曲線），在大氣層頂部接收的太陽輻射如圖 1 中黃色區域所示，但在海平面上，實際接收到的輻射僅剩圖中紅色部分，此時的輻射曲線呈鋸齒狀，有許多大小不一的凹槽，說明在自大氣頂至地面的大氣層中，很多太陽輻射被消耗掉或者被阻擋了，為什么會出現這種情況呢？

實際上，通過大氣的太陽輻射或地球大氣輻射將被大氣中某些氣體所吸收，這些輻射在某些波段幾乎被吸收殆盡，比如氧氣和臭氧在大氣中高層吸收了大量短波紫外線，從而保護了人類；而在另一些波段太陽輻射則暢通無阻，不會被明顯吸收，太陽輻射和地球大氣輻射可以像光通過窗戶那樣透過大氣，這些波段稱做大氣窗。

02、大氣窗的分類

簡單來說，大氣窗是電磁頻譜中可以通過大氣傳輸的部分，而吸收帶是電磁頻譜中難以通過大氣傳輸的部分。按照波段的不同，大氣窗分為可見光窗區，紅外窗區和射電窗區。    

在整個大氣層中，沒有哪一種氣體可以有效吸收 0.3-0.7 微米波長的輻射，這個波段對應可見光波段，占太陽輻射能量的 43%。因此，可見光能夠穿透大氣并被視覺捕獲，我們才能看見五彩斑斕的世界，這就是可見光窗區。值得注意的是，雖然大氣氣體對可見光波段吸收很少，但是大氣分子和氣溶膠對該波段的散射很強，故近地面接收的可見光輻射小于天頂處的輻射。

在太陽的加熱作用下，地球向外發出長波紅外輻射，大氣層通常是地球發射長波輻射的有效吸收體，其中水汽和二氧化碳是主要吸收氣體，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帶，可以吸收地表發射輻射的 60%；二氧化碳的吸收帶中心位于 2.7、4.3 和 14.7 微米附近；臭氧的吸收帶中心位于 4.7、9.6 和 4.1 微米附近。這些吸收帶間的空隙形成了一些紅外窗區，其中最主要的紅外窗區是 8-12 微米波段（如圖 2 所示），大氣對此波段的紅外線無強烈吸收，從而表現出很高的透射率。在紅外波段，大氣分子和氣溶膠的散射衰減比可見光窗區要小得多。

隨著波長繼續變大，我們發現了另一個大氣窗口 ——300GHZ（1 毫米）至 10MHZ（30 米）的射電窗區。此窗區的短波端，屬于微波范圍，故也稱為微波窗區。在此窗區內存在以氧分子吸收為主的 2.53mm 和 5mm 的吸收帶，以及以水汽吸收為主的 1.64mm 和 1.35cm 的吸收帶，為避開這些吸收帶，微波窗區常用的波長為 3.3mm、8-9mm 和 3cm。

03、大氣窗的應用

由于氣體的吸收作用，工程師在設計衛星時，就不得不利用大氣窗了。舉個例子，如果要在衛星上放置一個輻射儀，用以接收來自地球的輻射，我們應該怎樣選擇這個輻射儀的接收通道呢？或是說儀器接收到的哪個波段的輻射被大氣吸收更少，更接近地球真實的發出的輻射？

根據以上知識，我們會立馬想到可見光窗區和紅外窗區，因為若是隨意選取波段很容易被大氣衰減，導致遙感影像暗淡。所以沒錯，我們的衛星云圖，主要有可見光云圖、紅外云圖、水汽圖等等。

可見光云圖與我們用照相機拍照很相似，都是反光成像原理，拍到什么就呈現什么，云圖上的黑白程度反映了反射太陽光能力的大小：白色代表地物反射能力強，比如積雪、冰凍的湖泊，或者很厚的云層；黑色或灰色表示反射能力弱，比如植被區和陸地森林覆蓋區。可見光云圖的優點是可以區分地面和低云，能捕捉到云的輪廓、紋理等細節，比如圖 4a 中我們可以看到臺風眼區的低云，以及外圍清晰的螺旋云系，圖 4b 中可以看到低壓系統中的細胞狀云系。各類云的邊界形狀不同，有的是直線，有的是弧形，有的邊界整齊光滑，有的邊界模糊不清。

但太陽落山后，沒有陽光能夠被地物反射回太空，我們的可見光云圖就什么也看不見了，因此它只適用于白天，夜間無法使用。

紅外云圖是衛星在 10.5-12.5 微米通道得到的云圖，它的原理是溫度成像，不同溫度的物體發出的輻射值不同，根據衛星接收到的信號就可以大致推測出物體的溫度。紅外云圖上的黑白程度反映了被測物體溫度的高低，黑色表示溫度高，白色表示溫度低。圖 6 中，由于臺風內部對流旺盛，云體發展很高，云頂溫度很低，所以在紅外云圖中呈現白色，類似的，成熟的積雨云團和卷云在紅外云圖上也呈亮白色；晴空區與云雨區之間的過渡區，為灰色云系；若是地表溫度很高，如夏季白天沙漠地區和溫暖的洋面，云圖色調就會很黑。紅外云圖的優勢是白天夜晚都能使用，缺點則是分辨率差、對比度低、信噪比低、視覺效果模糊。

那么，如果我們并不想了解地物發出的輻射，而是想知道水汽、二氧化碳等氣體在大氣中的含量，該怎么辦呢？答案也很簡單，我們只需要將它們的吸收帶作為觀測通道，再根據輻射傳輸方程，就能夠反演水汽、云水含量和降水等大氣參數。

射電窗區的用途同樣十分廣泛，氣象衛星和衛星通信的波長都選在了射電窗區，拿星載測雨雷達舉例，其探測目標是地球上的降水粒子，若是雷達發射的波長很短，就很容易被大氣分子和氣象目標物吸收和散射，導致反射回太空的信號很微弱，所以我們必須要使用毫米或厘米波，增強其穿云透雨的能力。

04、結語

到這里大家對大氣窗的概念已經有所了解了，但小編還想提醒大家，大氣窗區并不是完全透明，實際上仍存在大氣分子、氣溶膠、云霧以及降水水滴及冰晶粒子對輻射的吸收和散射，造成探測數據的污染。因此在科研及實際應用中，大氣修正一直是一項極其重要且困難的工作。

最后的最后來考考大家，從我們微信首頁的云圖，你可以看見哪些形狀的云系？能不能試著找出一些天氣系統呢？

參考文獻

• 1.《氣象學與生活》，2016，電子工業出版社

• 2. 王飛翔，郭杰，許方宇，張雨辰，陳雙遠，肖建國，賈鈺超，羅宏，趙志軍.不同海拔地區紅外大氣透過率的計算和測量 [J]. 中國光學（中英文）, 2019, 12 (4): 843-852.

• 3.百度百科：大氣窗

本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：楊柳

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的隐匿的守护者，神秘的护盾 —— 大气窗的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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