大气层并非“透明”，对地观测卫星为何还能看得清？

科普中国 2025-08-21 20:04:24

当我们在新闻中看到清晰的卫星影像，看到绿意盎然的森林、蜿蜒流淌的江河、井然有序的城市街区，或是灾害现场的变形地貌，可能很少有人会想到一个最基本的问题：地球上空覆盖着厚厚的大气层，为什么对地观测卫星还能如此清晰地给地球拍照？这其中既有光学与物理的巧妙运用，也有工程与算法的默默加持。

本系列文章将分三部分揭开对地观测卫星的奥秘——从成像原理、动态监测到灾害应急。首篇我们先回答最基础的问题：大气层并非“透明”，对地观测卫星为何还能看得清？

辨析卫星、遥感卫星

和对地观测卫星

在正式解答这个问题之前，我们先来系统地了解一下什么是对地观测卫星。

对地观测卫星是指专门用于从轨道上获取地球表面及其大气、海洋等环境信息的人工卫星。它们通过搭载不同类型的遥感传感器，如光学相机、红外探测器、合成孔径雷达（SAR）等，周期性地获取地表图像、温度分布、地形变化、植被覆盖、大气成分等多种数据。这类卫星广泛应用于农业、林业、资源调查、城市规划、灾害预警、气候研究等领域，是连接太空信息与地面应用的关键技术平台。简单来说，对地观测卫星的核心任务就是“从天上看地球”，并以科学方式读懂它的变化。

而遥感卫星则是一个更宽泛的概念，泛指搭载遥感载荷的卫星，能够在不与目标物理接触的前提下，通过接收和分析电磁波（如可见光、红外、微波等）反射或辐射信息，实现对物体的识别、分类与监测。遥感卫星既可以对地观测，也可以用于对大气、海洋、冰层甚至天体的遥感探测。因此，对地观测卫星是遥感卫星中的一个重要子类，其研究重点聚焦于对地球本身的空间信息采集与解析。

再往上看，遥感卫星本身也是“卫星”这个大家族的一部分。根据任务用途的不同，卫星可以分为通信卫星、导航卫星、气象卫星、科学实验卫星、遥感卫星等多个类别，而每一类又包含多种细分型号与应用方向。

从太空遥望地球，

光如何“穿透”大气？

地球大气层并不是完全透明的。不同波长的光在穿过大气时会遇到多种干扰，包括被气体吸收，如臭氧吸收紫外线、水汽吸收红外线，或者蓝光被气溶胶散射，以及被云层遮挡。这些干扰使得从太空遥望地球并不容易，特别是在多云、阴雨或者夜晚等条件下，普通的可见光观测效果大打折扣。但科学家早已掌握了穿越大气拍摄的诀窍，那就是选对波段、配合技术、再加上智能校正。

原来，大气并非在所有波长上都同样不友好。在部分波段中，大气对光的吸收和散射非常弱，这些区域就被称为“大气窗口”。比如，我们熟知的可见光、热红外和微波波段等，这些波段在大气中具有较强的穿透力，可以用来观测温度、地形甚至穿透云雾进行成像。

电磁波谱（图片来源：美国国家标准与技术研究院）

选择不同波段的遥感信息，是对地观测的一大利器。人眼只能看到可见光波段，而遥感卫星则能看到更宽广的电磁波谱，从而揭示地物在不同物理特性下的表现。例如，健康的植物在可见光下看起来就是绿色，但在近红外波段反射率特别高，而病虫害作物或受污染水体的红外反射特性会明显不同，这就为农业监测、植被识别、灾害评估提供了非常有效的方法。

资源三号拍摄的多光谱图片（图片来源：自然资源卫星遥感云服务平台）

不同波段在遥感中的作用可谓“各司其职”。蓝光适合监测浅海、水体和大气；红光与近红外组合可用于作物健康指数的计算；短波红外能穿透烟雾，用于森林火灾监测；热红外则能测量地表温度，追踪城市热岛效应、工业热源或火山活动。而合成孔径雷达（SAR）使用的微波波段，不受光照和天气影响，能在昼夜任何时间穿透云层对地成像，成为灾害监测和军事侦察的有力工具。

我国的对地观测体系

“看得清、看得准、看得全”

我国的对地观测卫星在多波段成像方面已有显著成果。以“高分系列”为例，高分一号搭载多光谱相机，适合土地利用和农业监测；高分五号是我国首颗高光谱遥感卫星，能在数百个波段中识别地物，应用于大气、水质和矿产勘查；高分三号使用 C 波段雷达成像，能在恶劣天气中清晰捕捉地表变化；而高分四号则能在地球同步轨道上对区域进行实时监控，适用于突发事件的快速响应。

这些卫星通过波段配置的组合，形成了“看得清、看得准、看得全”的对地观测体系。

我国各个遥感卫星（图片来源：自然资源卫星遥感云服务平台）

所以，对地观测卫星之所以能在云层缝隙中看清地球，在夜色中捕捉热源，在自然灾害后快速定位风险区域，靠的不只是分辨率和镜头，而是科学地选择了电磁波中的通信通道。它们如同拥有多副眼镜的观察者，根据任务切换滤光片，不仅能看到，还可以更深入了解我们脚下的星球。

责编：张春祥

一审：张春祥

二审：段涵敏

三审：杨又华

来源：科普中国

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