气象卫星：地球的太空守护者

在浩瀚的宇宙中，运行着一群特殊的人造卫星——气象卫星，它们如同高科技的“天眼”，时刻监测着我们的蓝色星球。这些气象卫星不仅帮助我们精准预测天气变化，更能在飓风、洪水等自然灾害来临前发出预警，为防灾减灾争取宝贵时间，有效保护人民生命财产安全。

现代气象预报早已超越简单的晴雨提示，发展成为关乎国计民生的重要科学技术。要保证预报的准确性，气象工作者需要实时掌握全球大气环境变化。这一切都依赖于太空中的气象卫星网络。这些卫星就像不知疲倦的哨兵，从不同高度和角度对地球实施全天候、全方位的立体监测。

气象卫星主要分为地球同步卫星和绕极轨道卫星两种。它们各自承担着不同的任务，共同守护着地球的安全。地球同步卫星位于赤道上方，以特定的速度绕行地球，与地球自转周期相同，因此看起来仿佛在地表某个定点的上方固定不动。这种卫星能够提供当地连续的观测资料，但无法观测极区。而绕极轨道卫星则绕着地球的南北两极公转，每90到100分钟就会通过南北极上空一次。由于地球的自转，绕极卫星每天能对同一地区进行两次观测，每12小时的观测范围能涵盖整个地球。

在众多的气象卫星中，GOES（地球静止轨道环境业务卫星）系列卫星是监测北美、南美和东太平洋地区的重要力量。其中，GOES-East和GOES-West两颗卫星共同构成了这一区域的监测网络。GOES-East卫星，即GOES-13，在成功运作了10年后于2016年退役。取而代之的是更为先进的GOES-16卫星（原名为GOES-R）。这颗卫星的重量达到了约2800公斤，轨道高度为约35786千米（地球静止轨道标准高度）。它于2016年由宇宙神五号（Atlas V）541型运载火箭成功发射升空。GOES-16卫星的投入使用，将为气象预报员提供比前代卫星多50倍的信息量，从而大大提高天气预报的准确性。

绕极轨道卫星和地球静止轨道卫星各有其特点。绕极轨道卫星的轨道较低，约距地面850千米，因此能够提供较清晰的地球影像。它们以每秒约7.5千米的速度运转，即可维持在这一高度。而地球静止轨道卫星则位于更高的轨道，轨道高度为约35786千米。为了保持对地静止，它们需要保持约每小时10700千米的速度。尽管距离遥远，但地球静止轨道卫星所拍摄的地球影像仍然具有极高的价值。有趣的是，从地球静止轨道卫星上拍摄的地球，其视大小就像是在七个足球场外拍摄的一枚硬币一样大。

GOES-16卫星作为新一代气象卫星的代表，搭载了众多先进的仪器和设备。其中，地球静止闪电成像仪（GLM）能够监测闪电活动，为风暴和其他极端天气状况提供早期预警。先进基线成像仪（ABI）则负责测量地球反射的可见光和红外光，以监测地球的云层、大气层和地表。此外，恒星敏感器能够根据恒星的位置定位卫星，确保卫星的精确运行。空间环境监测载荷（SEISS）则负责与其他卫星和地面平台进行通讯，以实现更完整的区域监测。

GOES-16卫星（原GOES-R）还配备了高增益天线、磁强计、空间环境原位探测组件（SEISS）、极紫外与X射线辐射传感器（EXIS）以及太阳紫外光谱成像仪（SUVI）等先进设备。这些设备能够实时监测地球的磁层、空间天气环境、太阳活动及高能粒子辐射等关键参数，为气象预报和空间天气预警提供有力支持。同时，两片可展开的太阳能电池板为卫星上的仪器提供稳定而充足的电力。

为了实现对全球地表的持续监测，多颗气象卫星需要协同工作。地球静止轨道卫星能够定点观测同一区域，而绕极轨道卫星则通过极地轨道覆盖全球。目前，全球范围内正在运行的绕极轨道气象卫星包括欧洲的MetOp系列、俄罗斯的“流星”（Meteor-M）系列、中国的风云三号/四号系列，以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的JPSS（联合极轨卫星系统）系列。这些卫星共同构成了全球气象观测体系，为防灾减灾和气候研究提供了坚实的数据支撑。

气象卫星利用多光谱辐射计探测地球发出的电磁辐射，从而监测云层分布、水汽含量及地表特征。它们可探测的波段主要包括可见光波段和红外波段。可见光主要依赖太阳反射，因此仅适用于白昼观测；而红外辐射直接反映地表和大气温度，可实现全天候监测。通过融合可见光与红外数据，气象卫星能够更精确地分析天气系统的演变及温度场分布，提升天气预报的准确性。

在气象卫星的守护下，我们得以更加准确地预测天气变化，及时应对各种气象灾害。这些太空中的“守护者”不仅为我们提供了宝贵的天气信息，更为人类的生命安全和财产安全筑起了一道坚实的防线。随着科技的不断发展，未来的气象卫星将会更加先进、更加精准，为人类的气象预测和防灾减灾事业贡献更多的力量。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：孙明轩 上海工程技术大学 教授

来源: 科普中国