你是否曾經在一個晴朗的日子裡穿了一件深色的T恤，並在太陽光的照射下感受到面料的溫暖？我們大多數人都知道深色吸收太陽光，淺色反射太陽光–但你知道在太陽的非可見波長中，這種方式並不一樣嗎？
太陽是地球的動力源，它以可見光、紫外線輻射（波長較短）和近紅外輻射（波長較長，我們感覺到的是熱量）的形式發射能量。可見光從雪和冰等淺色表面反射出來，而森林或海洋等深色表面則吸收它。這種反射率稱為反照率，是地球調節溫度的一個關鍵方式，如果地球吸收的能量多於反射的能量，它就會變暖，如果它反射的能量多於吸收的能量，它就會變冷。
當科學家們把其他波長的影響混合代入時，情況就變得更加複雜。在光譜的近紅外部分，像冰和雪這樣的表面是不反射的–事實上，它們吸收近紅外光的方式與深色T恤吸收可見光的方式很相似。
“人們認為雪是反射光的。它是如此閃亮，”位於紐約市的美國宇航局戈達德空間研究所所長、美國宇航局代理高級氣候顧問加文-施密特說。”但事實證明，在光譜的近紅外部分，它幾乎是可以被看做是黑色的。”
顯然，對於氣候科學家來說，要獲得太陽能如何進入和離開地球系統的全貌，他們需要包括除可見光之外的其他波長。
地球的能量預算是對從太陽接收的能量與輻射回太空的能量之間的微妙平衡的一種比喻。對地球能量預算的精確細節的研究對於理解地球的氣候如何變化以及太陽能輸出的變化至關重要。這就是美國宇航局的太陽總輻照度和光譜傳感器（TSIS-1）發揮作用的地方。從國際空間站上的有利位置，TSIS-1不僅測量到達地球大氣層的總太陽輻照度（能量），而且還測量每個波長的能量多少。這種測量被稱為光譜太陽輻照度，或SSI。TSIS-1的光譜輻照度監測儀（SIM）由科羅拉多大學博爾德分校的大氣和空間物理實驗室開發，測量SSI的精度優於0.2%，或在真實SSI值的99.8%以內。
“有了TSIS-1，我們對可見光和近紅外光的測量有了更大的信心，”密歇根大學氣候和空間科學與工程系教授Xianglei Huang博士說。”你如何劃分每個波長的能量量對平均氣候有影響”。
落在地球上的光的成分對於理解地球的能量預算很重要。美國宇航局的太陽和光譜輻照度總傳感器（TSIS-1）測量太陽在1000個不同波長的能量，包括可見光、紫外線和紅外線，被稱為太陽光譜輻照度。Huang和他在密歇根大學、位於馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心和科羅拉多大學博爾德分校的同事最近首次在全球氣候模型中使用TSIS-1 SSI數據。戈達德的TSIS-1項目科學家Dong Wu說：”過去有幾項研究使用各種SSI輸入來分析氣候模型的敏感性” ，然而，這項研究是第一次調查新數據如何改變地球兩極的太陽能反射和吸收模型。
他們發現，當他們使用新的數據時，與使用舊的太陽數據相比，模型在冰和水吸收和反射多少能量方面顯示出統計上的重大差異。該團隊運行了名為社區地球系統模型（CESM2）的模型兩次：一次是使用18個月期間平均的TSIS-1新數據，另一次是使用基於NASA退役的太陽輻射和氣候實驗（SORCE）數據的舊的、重建的平均值。
研究小組發現，與老的SORCE重建數據相比，TSIS-1的數據在可見光波長中存在更多的能量，而在近紅外波長中的能量較少。這些差異意味着在TSIS-1的運行中，海冰吸收的能量更少，反射的能量更多，因此極地溫度降低0.5到1.3華氏度，夏季海冰的覆蓋量就可以增加了約2.5%。
“我們想知道新的觀測數據與以前的模型研究中使用的觀測數據如何比較，以及這如何影響我們對氣候的看法，”主要作者Xianwen Jing博士說，他作為密歇根大學氣候與空間科學和工程系的博士後學者進行了這項研究。”如果可見光波段的能量較多，而近紅外波段的能量較少，這將影響表面吸收的能量的多少。這可以影響海冰的生長或收縮，以及高緯度地區的寒冷程度”。
這告訴我們，除了監測太陽總輻照度之外，我們還需要密切關注光譜。雖然更準確的SSI信息不會改變氣候變化的大局，但它可能幫助建模者更好地模擬不同波長的能量如何影響氣候過程，如冰的行為和大氣化學。
作者警告說，即使新的數據使極地氣候看起來有所不同，但在科學家能夠利用它來預測未來的氣候變化之前，仍有更多的步驟要做。該團隊的下一步包括調查TSIS數據如何影響低緯度地區的模型，以及在未來繼續觀測，以觀察SSI在整個太陽周期中的變化。
了解更多關於太陽光所有的波長如何與地球表面和系統相互作用將為科學家以模擬現在和未來的氣候提供更多和更好的信息。在TSIS-1及其後續的TSIS-2（將於2023年在NASA自己的航天器上發射）的幫助下，NASA正在實現解釋地球的能量平衡以及它是如何變化的。