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從太空看海洋

海洋占地球表面積的70%以上,任何變化對環境都有很大的影響。但因海洋廣闊,要有效地定點、長期、全面取得觀測數據並不容易。從太空看海洋,它變小了,其變化可以一目了然,因此有機會更了解海洋。
 
 
 
海洋占地球表面積的70%以上,任何變化對地球環境都有很大的影響。但因海洋廣闊,傳統上利用船舶或浮標量測的各種性質,常受限於經費、人力、安全問題,要有效地定點、長期、全面取得觀測數據並不容易。

1957年,前蘇聯發射了「史波尼克一號」(Sputnik 1)人造衛星後,正式開啟了太空時代,也開啟了從太空觀測海洋的契機。

1978年,美國航空暨太空總署發射了Nimbus-7、TIROS-N及Seasat 3顆與海洋觀測相關的人造衛星,分別以可見光、紅外光及微波觀測海洋現象,觀測的項目幾乎涵蓋海洋的所有性質。從此為海洋觀測提供了新的利器,也為海洋變遷研究提供了更完整的資訊。

這種不與目標物實體接觸而進行數據蒐集的方法稱為遙感探測,簡稱遙測。一般海洋遙測是藉由感應器接收目標物輻射或反射的不同波長的電磁波,而獲得海洋的各項性質。感測方式有兩種:被動式遙測,是探測器被動地接收來自物體放射出的電磁波,例如海面溫度、海洋水色量測;主動式遙測,是由探測器主動發射電磁波探測物體,然後接收其回傳的能量,例如海面高度、海面風場。

海面溫度

海面溫度是海洋遙測中最早被量測的海洋物理性質。基本上,任何物體只要溫度大於絕對零度,就會輻射電磁波,海水溫度越高,向太空輻射的紅外線與微波的能量就越多。衛星遙測海面溫度,主要就是應用輻射計接收海水向太空輻射的熱紅外線或微波,進而推算海面溫度。

由衛星遙測全球海面溫度,可發現溫度最高的區域位於西太平洋赤道附近,這高溫的水域稱為西太平洋暖池。這暖池的變化跟聖嬰和反聖嬰現象的發展息息相關,當聖嬰現象發生時,這暖池會往東延伸,而反聖嬰時,則往西退。

此外,海洋中的洋流,如北太平洋的黑潮、北大西洋的灣流,及其伴隨而生的冷、暖渦漩,也可以從遙測的海面溫度影像清楚看出。事實上,海洋因海水運動的不穩定性,會產生很多渦漩,這些渦漩對海水水量、能量、熱量的傳輸有重要的作用,對全球氣候變遷,甚至於颱風路徑及其強度的變化都有重大影響。

海洋水色

海水顏色的差異是由於海洋中物質的組成不同而產生的,若海洋中有較多的浮游植物,所含的葉綠素會使海水顏色偏綠。從海水顏色變化中也可以發現海洋渦漩,海洋渦漩因旋轉可以把較深的高營養鹽海水帶往表層,提供浮游植物成長所需要的營養,使得海洋葉綠素濃度提高。

衛星海洋水色遙測就是利用水色的變化,根據不同波長的電磁波反射能量,推算海洋中葉綠素或懸浮物質的含量。我國於1999年發射的第一顆衛星「福爾摩沙衛星一號」,所裝載的海洋水色照相儀就具有這功能。

1997年,美國發射的「海視廣角感應器」,首次提供了全球長期的海洋葉綠素濃度的觀測。美國航空暨太空總署研究人員利用衛星遙測水色資料,發現全球葉綠素濃度從原先減少到最近有增加的趨勢。浮游植物因行光合作用,大多生存在海洋表層,吸收了陽光的能量,因此陽光進入較深海洋的能量減少,使得海表面溫度較高,也因此可能引起颱風生成位置及強度的改變。

海面鹽度

海面鹽度是海洋遙測中較新的產品,其變化受到全球水循環、洋流的影響,因此對全球氣候變遷的研究相當重要。

測量海面鹽度的原理是利用微波輻射計量測海面的亮度溫度,這亮度溫度與實際溫度的差異主要受海水表面微波的放射率所左右,而放射率與海水介電常數有關,介電常數又與電導率有關,海水電導率又受海水鹽度與溫度影響。因此,藉由量測海水的亮度溫度及實際溫度,可以間接地測得海面鹽度的分布與變化。

海面高度

海面高度的測量是利用衛星高度計發射雷達波,測量其碰到海水面回傳的時間差,進而推算從衛星到海面的距離,以得知海面的高度變化。

海洋渦漩可分成氣旋式及反氣旋式,因受地球自轉科氏力的影響,氣旋式渦漩的水位會較周圍水團的水位低,反氣旋渦漩的水位會較周圍水團的水位高。因此,衛星測高資料是一個用來觀測全球渦漩分布的極佳工具,可以很清楚地看見這些渦漩的演變與傳輸。

海面風場

海面上渦漩有些是由海面風場的變化造成的,一般而言,要在海面上測量風場並不容易。目前大範圍的海面風場資料,除了利用數值模式計算獲得外,也可利用衛星遙測方式取得。

衛星遙測海面風場是利用衛星上裝載的散射計,以斜射角度主動發射微波入射海面,再接收其回傳的能量與波形,以得知海面的粗糙度,而海面粗糙度與海面風速有關。散射計接收在不同角度的天線所量測到的回傳能量與波形,便可得出海面風速大小與方向。

海面風速也可從合成孔徑雷達中獲得,是利用衛星飛行並連續記錄目標物的回傳訊號。由於衛星與目標物之間的相對位置不斷改變,回傳訊號產生頻率位移,也就是都卜勒效應。把雷達衛星拍攝目標物所得的訊號進行相位平移修正,再把相位一致的資料加成,以產生大孔徑天線的效果,取得較多能量,進而獲得高空間解析度的雷達影像。

以颱風為例,由於海面的粗糙度與風速有關,颱風眼基本上是無風無雨,海面較平坦。因此利用合成孔徑雷達觀看颱風眼,因其後向散射能量較少,影像呈現會較暗,這與從衛星氣象雲圖觀測到的雲端上層颱風眼位置有所不同。因此,利用合成孔徑雷達所獲得的海面上颱風資訊,更貼近人們的實際感受。

有別於利用船舶或浮標的傳統測量,衛星遙測因具有綜觀性、即時性的優點,提供了研究海洋的一個新利器。隨著科學的進步,海洋的一些基本性質大多可以由衛星遙測中提取。

從太空看海洋,海洋變小了,海洋的變化可一目了然,因此有機會更了解海洋。
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