這顆衛星能“嗅”碳

我國首顆全球二氧化碳監測衛星22日成功發射
這顆衛星能“嗅”碳

以二氧化碳為主的溫室氣體排放通常被認為是影響氣候變化的重要因素。但各國排放了多少二氧化碳，它怎樣在全球流動，至今缺乏完備、可信服的基礎數據。22日淩晨，我國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱碳衛星）在酒泉成功發射，它將監測大氣中二氧化碳濃度1%的細微變化，給出二氧化碳在不同季節、不同地區排放的“體檢報告”，能提升我國在氣候變化談判等問題上的國際話語權。

為什麼發

全球尺度上獲取二氧化碳變化情況，填補技術空白，提升國家話語權

過去150年來，大氣中的二氧化碳的濃度從280ppm（百萬分之一）上升到400ppm，二氧化碳等溫室氣體引發的“溫室效應”，被認為是全球變暖的罪魁禍首。

持家得先有賬，收支清楚才能找出溫室氣體與氣候變化之間的關係。“動態監測二氧化碳排放，對人類應對氣候變化的影響有重要意義。”碳衛星首席應用科學家、國家衛星氣象中心總工程師盧乃錳説。

此前，人類一直是通過地面站點監測二氧化碳排放。雖然地面觀測的絕對精度比衛星觀測精度高，但地面監測站數量有限，沒法得出全球範圍二氧化碳的空間分佈情況。盧乃錳介紹，截至2010年左右，全球地面觀測站點僅有200多個，且不能監測到海洋上空大氣中二氧化碳的含量。

如果説監測各個區域二氧化碳濃度變化是賬目的“明細”，二氧化碳在全球的流動情況則是“總賬”。而單個站點的持續觀測，只能了解某個較小區域二氧化碳濃度的變化。要認識全球碳循環規律，就需要一種可以連續在全球尺度上獲取高精度的二氧化碳流動的手段。搭載溫室氣體探測儀器、借助衛星遙感，是目前獲取全球各區域氣體濃度切實可行的手段。

利用衛星監測二氧化碳成為科技發達國家競爭的焦點。2009年日本發射了世界首顆溫室氣體觀測衛星（GOSAT）；2014年美國發射了二氧化碳監測衛星OCO—2。

碳衛星系統總設計師、中科院微小衛星創新研究院研究員尹增山介紹，碳衛星發射成功並經過半年的在軌測試後，將正式投入運行，16天完成一個回歸週期，每兩到三個月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛星獲取的信息經過解析和處理，就能形成不同地區碳排放報告。

“採用碳衛星收集全球碳排放的長期數據，通過數據對照就能看出全球各個地方碳排放的變化。”碳衛星二氧化碳探測儀負責人、中科院長春光機所研究員鄭玉權説。此前，人們往往根據某個國家或地區的化石能源消耗量、效率來判斷，但這種方式缺乏科學依據，且目前多由各國單獨統計，難以得出全球二氧化碳的分佈和變化趨勢。鄭玉權説，發射碳衛星，不僅能填補我國在溫室氣體監測方面的技術空白，還能掌握在全球氣候談判、未來碳交易等上的主動權。

如何監測

通過精細測量光譜信息，了解全球二氧化碳的變化情況

碳衛星給全球做“碳普查”，是基於大氣吸收池原理。衛星從太空觀測經地表反射的太陽光，太陽的光譜是確定的，但大氣層中不同氣體成分吸收的光不一樣。比如，二氧化碳在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，從而能形成獨特的大氣吸收光譜。某個區域大氣層中二氧化碳濃度輕微的變化，就會帶來吸收光譜線強度的變化，碳衛星記錄的就是這些光譜信息。

鄭玉權説，碳衛星精細測量後得到光譜吸收線，光譜線信息通過數據的方式傳輸到地面。數據本身並不能看出二氧化碳濃度，需要通過建立模型來演算。在這些數據的基礎上，還可進一步推演出全球二氧化碳的流動情況。

“以往氣象衛星所涉及的演算問題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛星所涉及的是可見光和近紅外譜段的演算問題，機理不同，難度加大。這需要考慮雲與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素的影響，重新設計全新的演算驗證系統。我們集中國內優勢單位聯合攻關，終於填補了國內技術空白。”盧乃錳説。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀，二氧化碳探測儀採用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分。

國家衛星氣象中心副主任、碳衛星地面應用系統總指揮張鵬説，大氣中二氧化碳的濃度監測的精度優於4ppm，而大氣中二氧化碳的濃度只有萬分之四左右，也就是説，在如此低濃度的二氧化碳中，只要有1%的變化，探測儀就必須要發現。為了達到監測要求，鄭玉權介紹，二氧化碳探測儀實現了天基0.04納米級超高光譜分辨率，擁有2000多個通道，對光譜的解析極其精細。

一個好漢三個幫，我國碳衛星還搭載了另一台載荷——雲與氣溶膠探測儀。該探測儀主要測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為精確演算二氧化碳濃度剔除干擾因素。

“二氧化碳演算會受到雲與氣溶膠、氣壓、溫度等多因素影響，雲與氣溶膠探測儀測量到雲、大氣顆粒物等信息，演算時把它們當作一個參數帶入數據中，就最大程度排除它們的干擾。從而對二氧化碳的探測結果進行修正，大大提高演算精度。”鄭玉權説。

此外，獲取的全球尺度氣溶膠數據，還可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，為研究大氣污染成因提供重要數據支撐。

怎樣工作

觀測時就像“跳舞”，要斜著看、豎著看、盯著看

張鵬介紹，碳衛星發射入軌之後，將開始長達3年的工作，每天記錄長達約10小時的數據，定期提供我國及全球二氧化碳濃度分佈圖併為全球氣候研究提供依據。

碳衛星在太空如何工作？“這顆衛星需要在太空中跳舞，既要會跳華爾茲還要能翻筋斗。”盧乃錳説。

盧乃錳之所以説“跳舞”，是因為衛星觀測模式比較複雜，需要在太空不停地旋轉，要斜著看、豎著看、盯著看。斜著看，就是耀斑觀測模式，利用太陽在海面的鏡面反射提高信噪比，獲取海面上空的二氧化碳數據；豎著看即天底觀測模式，在地面進行二氧化碳的觀測；盯著看，就是衛星在飛行過程中，始終瞄準一個特定目標進行觀測，完成既定任務。除此之外，碳衛星還要觀測太陽和月亮，進行對日、對月定標。

這種複雜和高難度的“跳舞”，是為了讓衛星能夠更加有效地觀測全球二氧化碳分佈信息。“海面反射的光很弱，比如我們拿一個手電筒豎著照在海面，光很多都被吸收了，但如果斜著照射，我們就能看到波光粼粼。碳衛星經過海平面時，也需要相應調整‘舞姿’。”鄭玉權説。

“大家看到衛星在天上翩翩起舞，覺得很美，但搞衛星的人通常一聽到這種需求就心驚肉跳。”盧乃錳説，高精度的觀測對衛星技術要求極高，衛星平臺研究人員攻克了“複雜姿態指向控制技術”難題，給衛星配備了複雜姿態控制系統，使它可以在太空中實現多種模式的觀測。

盧乃錳介紹，日本GOSAT的有效觀測點只有300多個，我國碳衛星在設計時加大了掃描寬度，增加了採樣點，觀測效果提升數倍。

監測全球二氧化碳一兩顆衛星遠遠不夠，我國發射的是全球第三顆，不久將來歐洲也將加入碳衛星計劃。“我們希望和其他國家合作形成碳衛星‘虛擬星座’，聯合觀測大氣二氧化碳”。盧乃錳説。據介紹，我國已經制定了數據管理辦法，將適時對外發佈。（記者 喻思孌 劉毅）