気象衛星画像には災害を予測する最新技術が詰まっています！

つい最近、台風ドゥスレイとカヌーの相次ぐ襲来により、多くの死傷者と物的損害が発生しました。台風のような災害に直面したとき、次の2つの状況を想像してください。

A: 携帯電話やテレビなどを使って、台風がどこにいるのか、次にどこへ向かうのかをいつでも知ることができるので、早めに物資を準備して、しっかり防災に努めることができます。

B: この季節には台風があるということだけは知っていますし、経験に基づいて判断しています。

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みんなAを選ぶと思いますよね？そうです、緊急救助や災害救助と同じくらい重要なのは、気象を継続的に監視・追跡し、正確な判断を下し、タイムリーに警告を発することです。では、天気データはどこから来るのでしょうか?気象データの大部分は、上空の気象衛星から得られます。気象衛星とその基本的な動作原理について学びましょう。

物理学基礎：リモートセンシング

気象衛星の動作原理はリモートセンシングです。これは、名前が示すように「遠距離知覚」を意味します。つまり、見るだけで触れず、非接触の手段を使用して物体のさまざまな特性を検出します。

ハイテクのように聞こえますが、リモートセンシングは実際には私たち一人ひとりが持っている基本的な機能です。たとえば、私たちが道を歩いているとき、突然後ろから足音が聞こえてきます。振り向くとそこにはシャオ・リーがいた！これは耳と目の遠隔感知能力です。

しかし、問題の難易度を少し上げると、私たちが本来持っているリモートセンシングのスキルだけでは不十分になります。たとえば、シャオ・リーが今日着ている白いシャツは、純綿、シルク、それとも化学繊維で作られているのでしょうか?確認するには手でつまむ必要がありますが、手を伸ばすとリモートセンシングではなく接触検出になります。

何をするか？シャオ・リーの服の反射スペクトルを観察するために機器の助けを借りることができます。

この単語はどういう意味ですか？光が物体に当たると、光の一部の波長（色）は吸収され、一部は反射されます。異なる波長で照らすと、異なる明るさが見えます。波長によって明るさがどのように変化するかを曲線でプロットしたものが反射スペクトルです。

たとえば、葉は赤と青の光を吸収し、緑の光を反射します。私たちが見ている緑色は、葉のおおよその反射スペクトルです。機器の助けを借りれば、このスペクトルは波長に至るまでさらに正確にすることができます。シャオ・リーの白いシャツを赤外線帯域で観察すると、異なる原材料は異なる赤外線スペクトルを示すので、それをひねる必要はありません。

さらに、すべての物体は電磁波を放射します。冷たい物体は波長が長く、熱い物体は波長が短くなります。さらに、材料の組成に応じて独特のスペクトル分布を示します。したがって、物体の放射スペクトルを観察することで、その組成と温度を決定することができます。たとえば、目の前にある携帯電話の場合、各「白」のピクセルには実際には赤、緑、青の 3 色しかありませんが、実際の太陽光には赤から紫までの全範囲の色があります。

LCD 画面の顕微鏡写真。各ピクセルは赤、緑、青の組み合わせで構成されています。

リモートセンシングの基本原理を理解したところで、気象衛星がどのようにそれを実行するかを見てみましょう。

気象衛星は何を見ているのでしょうか?

気象衛星を設計してみましょう。何を調べるように要求しますか?どう思いますか？

気象衛星なので、少なくとも一般的な可視光衛星の雲画像を撮影できるはずです。これは天気を最も直感的に表現したものです。雲の分布や厚さがわかります。観察を続けると雲の流れも見えてきます。これらは一般の人が理解でき、分析もできるデータなので、必要であり、実装も比較的簡単な機能です。

しかし、可視光だけでは十分ではありません。夜になると、地球の片側は暗闇に陥り、雲は肉眼では見えなくなります。そのため、24時間継続的に天気を監視するためには、夜間視力機能も追加する必要があります。前にも述べたように、すべての物体は放射線を放出します。赤外線やマイクロ波帯域で観測すると、夜間の雲をはっきりと見ることができます。

風雲4Aが撮影した雲図、左は夜景、右は昼景

とても簡単そうですね！もう少し深く見てみましょう。衛星から見るものを信頼できるでしょうか?なぜ、その雲は地上の雪ではあり得ないのでしょうか?火山から噴出した火山灰とどのように区別するのでしょうか?夜に見える明るい雲はなぜ街の明かりではないのでしょうか?

そこで、ここでは前述のリモートセンシングの原理が使われます。科学機器の「目」を使ってスペクトル分析を行うことで、物体の色を見ることができるだけでなく、その実際の温度や組成も知ることができます。

もちろん、現実には、可視光であれ赤外線であれ、衛星が観測するのは複雑に重なり合った信号です。たとえば、私たちが日中に見る雲は、雲に反射された太陽光、雲自体から放射される放射線、そして地球と大気からの背景放射線で構成されています。正確な情報を得るためには、専門家がこれら 3 つの信号を 1 つずつ分離する特別なアルゴリズムを設計する必要があります。衛星で観測される雲や大気は、視覚的な輪郭だけでなく、温度や湿度、高度分布、組成、雷や雷雨などの詳細な情報も提供します。

気象衛星で観測されたさまざまなデータは地上に送られ、スーパーコンピューターに引き継がれ、数値モデルを用いて予測が行われます。台風カヌーの奇妙なダンスステップは、3つの高気圧に挟まれた結果である。結局、関羽の進路は予報と一致したが、これは気象衛星による精密な観測とスーパーコンピューターの数値モデルとの緊密な連携の結果であった。

気象衛星は天気を予測するためだけに使われるのですか?

気象衛星の基本原理により、私たちの視野が広がり、気象衛星を使って多くの興味深い事柄を研究できるようになります。

たとえば、気象衛星を通じて農業を監視することができます。土壌の温度と水分量はスペクトルに反映され、植物の光の反射スペクトルはさまざまな波長におけるクロロフィル、細胞構造、水分量を反映することができます。作物によって反射スペクトルは異なります。衛星リモートセンシングは、土壌の状態、作物の種類、作物の成長、害虫や病気の有無を判断するために使用できます。当社の気象衛星「風雲」には農業監視機能があります。雲を観察して天気を知るだけでなく、農業の守護者でもあります。

気象衛星を使って大気中の炭素濃度を監視することもできます。地上からの放射線が大気圏を通過して衛星に到達する際、一部の波長は二酸化炭素によって吸収されます。吸収スペクトルを分析することで、世界各地の大気中の炭素含有量を把握することができ、省エネルギーや排出削減の科学的根拠が得られ、科学的かつ合理的な方法で炭素排出目標を設定することができます。この事業は、中国が2022年に打ち上げる炭素衛星「ジュマン」が行う予定だ。

将来的には、スペクトル分析は気象衛星だけでなく、宇宙の研究や他の惑星の天気の観測や研究にも利用できるようになります。この機能を備えた宇宙船は、ある意味で「宇宙気象衛星」とみなすことができます。たとえば、ウェッブ宇宙望遠鏡で撮影されたこの海王星の写真を見てみましょう。左上にあるトリトンは海王星を完全に覆い隠しているように見え、まるで恒星と間違われるほどです。これは、ウェッブ望遠鏡が赤外線帯域で観測を行うためです。トリトンの表面には豊富な水氷があり、太陽光（赤外線を含む）に対する反射率が高い。しかし、海王星の大気中のメタン成分は赤外線を吸収するため、大気全体が暗くなります。海王星の表面にある明るい縞模様や斑点は、メタンと水でできた反射率の高い氷の領域であり、その分布が海王星の嵐の輪郭を描いています。

トリトンとネプチューン。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

まとめると、気象衛星は主にリモートセンシング技術を利用してさまざまな気象データを取得しており、気象衛星のリモートセンシング機能により、天気予報だけでなく、さらに多くの支援を提供できます。最後に、各種気象警報が発表された際には、災害の防止・軽減のために早急な準備をしていただくよう、改めてお願い申しあげます。

企画・制作

著者: ク・ジオン、ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨国家衛星気象センター風雲4号副主任エンジニア楊磊

企画丨Ding Zong

編集者：イヌオ

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