每天早晨我们睁开双眼看见阳光，是否想过，在太阳至地球近地表这么远的路程里，太阳辐射在大气中经历了哪些“阻碍”？太阳辐射中的高能短波辐射为什么没能伤害到我们？光路中难道存在某些肉眼看不见的神秘力量吗？
神奇的大气窗
我们将太阳视为一个温度为5250℃的黑体，大多数太阳辐射以0-25微米的波长发射，其辐射光谱如图1黑色实线所示（理论曲线），在大气层顶部接收的太阳辐射如图1中黄色区域所示。
但在海平面上，实际接收到的辐射仅剩图中红色部分，此时的辐射曲线呈锯齿状，有许多大小不一的凹槽，说明在自大气顶至地面的大气层中，很多太阳辐射被消耗掉或者被阻挡了，为什么会出现这种情况呢？
图1 太阳辐射光谱
实际上，通过大气的太阳辐射或地球大气辐射将被大气中某些气体所吸收，这些辐射在某些波段几乎被吸收殆尽，比如氧气和臭氧在大气中高层吸收了大量短波紫外线，从而保护了人类；而在另一些波段太阳辐射则畅通无阻，不会被明显吸收，太阳辐射和地球大气辐射可以像光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。
大气窗的分类
简单来说，大气窗是电磁频谱中可以通过大气传输的部分，而吸收带是电磁频谱中难以通过大气传输的部分。按照波段的不同，大气窗分为可见光窗区，红外窗区和射电窗区。
在整个大气层中，没有哪一种气体可以有效吸收0.3-0.7微米波长的辐射，这个波段对应可见光波段，占太阳辐射能量的43%。因此，可见光能够穿透大气并被视觉捕获，我们才能看见五彩斑斓的世界，这就是可见光窗区。值得注意的是，虽然大气气体对可见光波段吸收很少，但是大气分子和气溶胶对该波段的散射很强，故近地面接收的可见光辐射小于天顶处的辐射。
在太阳的加热作用下，地球向外发出长波红外辐射，大气层通常是地球发射长波辐射的有效吸收体，其中水汽和二氧化碳是主要吸收气体，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带，可以吸收地表发射辐射的60%；二氧化碳的吸收带中心位于2.7、4.3和14.7微米附近；臭氧的吸收带中心位于4.7、9.6和4.1微米附近。这些吸收带间的空隙形成了一些红外窗区，其中最主要的红外窗区是8-12微米波段（如图2所示），大气对此波段的红外线无强烈吸收，从而表现出很高的透射率。在红外波段，大气分子和气溶胶的散射衰减比可见光窗区要小得多。
图2 红外波段大气透射谱线
随着波长继续变大，我们发现了另一个大气窗口——300GHZ（1毫米）至10MHZ（30米）的射电窗区。此窗区的短波端，属于微波范围，故也称为微波窗区。在此窗区内存在以氧分子吸收为主的2.53mm和5mm的吸收带，以及以水汽吸收为主的1.64mm和1.35cm的吸收带，为避开这些吸收带，微波窗区常用的波长为3.3mm、8-9mm和3cm。
图3 地球大气窗口
大气窗的应用
由于气体的吸收作用，工程师在设计卫星时，就不得不利用大气窗了。举个例子，如果要在卫星上放置一个辐射仪，用以接收来自地球的辐射，我们应该怎样选择这个辐射仪的接收通道呢？或是说仪器接收到的哪个波段的辐射被大气吸收更少，更接近地球真实的发出的辐射？
根据以上知识，我们会立马想到可见光窗区和红外窗区，因为若是随意选取波段很容易被大气衰减，导致遥感影像暗淡。所以没错，我们的卫星云图，主要有可见光云图、红外云图、水汽图等等。
可见光云图与我们用照相机拍照很相似，都是反光成像原理，拍到什么就呈现什么，云图上的黑白程度反映了反射太阳光能力的大小：白色代表地物反射能力强，比如积雪、冰冻的湖泊，或者很厚的云层；黑色或灰色表示反射能力弱，比如植被区和陆地森林覆盖区。
可见光云图的优点是可以区分地面和低云，能捕捉到云的轮廓、纹理等细节，比如图4a中我们可以看到台风眼区的低云，以及外围清晰的螺旋云系，图4b中可以看到低压系统中的细胞状云系。各类云的边界形状不同，有的是直线，有的是弧形，有的边界整齐光滑，有的边界模糊不清。
图4可见光云图，a:涡旋云系，b:细胞状云系
但太阳落山后，没有阳光能够被地物反射回太空，我们的可见光云图就什么也看不见了，因此它只适用于白天，夜间无法使用。
红外云图是卫星在10.5-12.5微米通道得到的云图，它的原理是温度成像，不同温度的物体发出的辐射值不同，根据卫星接收到的信号就可以大致推测出物体的温度。红外云图上的黑白程度反映了被测物体温度的高低，黑色表示温度高，白色表示温度低。
图5中，由于台风内部对流旺盛，云体发展很高，云顶温度很低，所以在红外云图中呈现白色，类似的，成熟的积雨云团和卷云在红外云图上也呈亮白色；晴空区与云雨区之间的过渡区，为灰色云系；若是地表温度很高，如夏季白天沙漠地区和温暖的洋面，云图色调就会很黑。红外云图的优势是白天夜晚都能使用，缺点则是分辨率差、对比度低、信噪比低、视觉效果模糊。
图5 风云4A红外云图捕捉的台风“苏拉”
那么，如果我们并不想了解地物发出的辐射，而是想知道水汽、二氧化碳等气体在大气中的含量，该怎么办呢？答案也很简单，我们只需要将它们的吸收带作为观测通道，再根据辐射传输方程，就能够反演水汽、云水含量和降水等大气参数。
射电窗区的用途同样十分广泛，气象卫星和卫星通信的波长都选在了射电窗区，拿星载测雨雷达举例，其探测目标是地球上的降水粒子，若是雷达发射的波长很短，就很容易被大气分子和气象目标物吸收和散射，导致反射回太空的信号很微弱，所以我们必须要使用毫米或厘米波，增强其穿云透雨的能力。
图6 雷达探测降水示意图
结语
到这里大家对大气窗的概念已经有所了解了，但小编还想提醒大家，大气窗区并不是完全透明，实际上仍存在大气分子、气溶胶、云雾以及降水水滴及冰晶粒子对辐射的吸收和散射，造成探测数据的污染。因此在科研及实际应用中，大气修正一直是一项极其重要且困难的工作。
最后的最后来考考大家，从我们微信首页的云图，你可以看见哪些形状的云系？能不能试着找出一些天气系统呢？
图7 微信首页卫星云图
参考文献
1.《气象学与生活》，2016，电子工业出版社
2. 王飞翔， 郭杰， 许方宇， 张雨辰， 陈双远， 肖建国， 贾钰超， 罗宏， 赵志军. 不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量[J]. 中国光学（中英文）， 2019， 12(4): 843-852.
3.百度百科：大气窗
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：杨柳