我國(guó)首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星22日成功發(fā)射
這顆衛(wèi)星能“嗅”碳

以二氧化碳為主的溫室氣體排放通常被認(rèn)為是影響氣候變化的重要因素。但各國(guó)排放了多少二氧化碳，它怎樣在全球流動(dòng)，至今缺乏完備、可信服的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。22日凌晨，我國(guó)首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱碳衛(wèi)星）在酒泉成功發(fā)射，它將監(jiān)測(cè)大氣中二氧化碳濃度1%的細(xì)微變化，給出二氧化碳在不同季節(jié)、不同地區(qū)排放的“體檢報(bào)告”，能提升我國(guó)在氣候變化談判等問(wèn)題上的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。

為什么發(fā)

全球尺度上獲取二氧化碳變化情況，填補(bǔ)技術(shù)空白，提升國(guó)家話語(yǔ)權(quán)

過(guò)去150年來(lái)，大氣中的二氧化碳的濃度從280ppm（百萬(wàn)分之一）上升到400ppm，二氧化碳等溫室氣體引發(fā)的“溫室效應(yīng)”，被認(rèn)為是全球變暖的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

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(guān)系?！皠?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)二氧化碳排放，對(duì)人類應(yīng)對(duì)氣候變化的影響有重要意義。”碳衛(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心總工程師盧乃錳說(shuō)。

此前，人類一直是通過(guò)地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)二氧化碳排放。雖然地面觀測(cè)的絕對(duì)精度比衛(wèi)星觀測(cè)精度高，但地面監(jiān)測(cè)站數(shù)量有限，沒(méi)法得出全球范圍二氧化碳的空間分布情況。盧乃錳介紹，截至2010年左右，全球地面觀測(cè)站點(diǎn)僅有200多個(gè)，且不能監(jiān)測(cè)到海洋上空大氣中二氧化碳的含量。

如果說(shuō)監(jiān)測(cè)各個(gè)區(qū)域二氧化碳濃度變化是賬目的“明細(xì)”，二氧化碳在全球的流動(dòng)情況則是“總賬”。而單個(gè)站點(diǎn)的持續(xù)觀測(cè)，只能了解某個(gè)較小區(qū)域二氧化碳濃度的變化。要認(rèn)識(shí)全球碳循環(huán)規(guī)律，就需要一種可以連續(xù)在全球尺度上獲取高精度的二氧化碳流動(dòng)的手段。搭載溫室氣體探測(cè)儀器、借助衛(wèi)星遙感，是目前獲取全球各區(qū)域氣體濃度切實(shí)可行的手段。

利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)二氧化碳成為科技發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。2009年日本發(fā)射了世界首顆溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（GOSAT）；2014年美國(guó)發(fā)射了二氧化碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星OCO—2。

碳衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員尹增山介紹，碳衛(wèi)星發(fā)射成功并經(jīng)過(guò)半年的在軌測(cè)試后，將正式投入運(yùn)行，16天完成一個(gè)回歸周期，每?jī)傻饺齻€(gè)月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛(wèi)星獲取的信息經(jīng)過(guò)解析和處理，就能形成不同地區(qū)碳排放報(bào)告。

“采用碳衛(wèi)星收集全球碳排放的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)照就能看出全球各個(gè)地方碳排放的變化?！碧夹l(wèi)星二氧化碳探測(cè)儀負(fù)責(zé)人、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研究員鄭玉權(quán)說(shuō)。此前，人們往往根據(jù)某個(gè)國(guó)家或地區(qū)的化石能源消耗量、效率來(lái)判斷，但這種方式缺乏科學(xué)依據(jù)，且目前多由各國(guó)單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，難以得出全球二氧化碳的分布和變化趨勢(shì)。鄭玉權(quán)說(shuō)，發(fā)射碳衛(wèi)星，不僅能填補(bǔ)我國(guó)在溫室氣體監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)空白，還能掌握在全球氣候談判、未來(lái)碳交易等上的主動(dòng)權(quán)。

如何監(jiān)測(cè)

通過(guò)精細(xì)測(cè)量光譜信息，了解全球二氧化碳的變化情況

碳衛(wèi)星給全球做“碳普查”，是基于大氣吸收池原理。衛(wèi)星從太空觀測(cè)經(jīng)地表反射的太陽(yáng)光，太陽(yáng)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(dú)特的大氣吸收光譜。某個(gè)區(qū)域大氣層中二氧化碳濃度輕微的變化，就會(huì)帶來(lái)吸收光譜線強(qiáng)度的變化，碳衛(wèi)星記錄的就是這些光譜信息。

鄭玉權(quán)說(shuō)，碳衛(wèi)星精細(xì)測(cè)量后得到光譜吸收線，光譜線信息通過(guò)數(shù)據(jù)的方式傳輸?shù)降孛妗?shù)據(jù)本身并不能看出二氧化碳濃度，需要通過(guò)建立模型來(lái)演算。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步推演出全球二氧化碳的流動(dòng)情況。

“以往氣象衛(wèi)星所涉及的演算問(wèn)題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛(wèi)星所涉及的是可見(jiàn)光和近紅外譜段的演算問(wèn)題，機(jī)理不同，難度加大。這需要考慮云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素的影響，重新設(shè)計(jì)全新的演算驗(yàn)證系統(tǒng)。我們集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合攻關(guān)，終于填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白?！北R乃錳說(shuō)。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀，二氧化碳探測(cè)儀采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分。

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心副主任、碳衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮張鵬說(shuō)，大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測(cè)的精度優(yōu)于4ppm，而大氣中二氧化碳的濃度只有萬(wàn)分之四左右，也就是說(shuō)，在如此低濃度的二氧化碳中，只要有1%的變化，探測(cè)儀就必須要發(fā)現(xiàn)。為了達(dá)到監(jiān)測(cè)要求，鄭玉權(quán)介紹，二氧化碳探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了天基0.04納米級(jí)超高光譜分辨率，擁有2000多個(gè)通道，對(duì)光譜的解析極其精細(xì)。

一個(gè)好漢三個(gè)幫，我國(guó)碳衛(wèi)星還搭載了另一臺(tái)載荷——云與氣溶膠探測(cè)儀。該探測(cè)儀主要測(cè)量云、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(huì)受到云與氣溶膠、氣壓、溫度等多因素影響，云與氣溶膠探測(cè)儀測(cè)量到云、大氣顆粒物等信息，演算時(shí)把它們當(dāng)作一個(gè)參數(shù)帶入數(shù)據(jù)中，就最大程度排除它們的干擾。從而對(duì)二氧化碳的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，大大提高演算精度?！编嵱駲?quán)說(shuō)。

此外，獲取的全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為研究大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。

怎樣工作

觀測(cè)時(shí)就像“跳舞”，要斜著看、豎著看、盯著看

張鵬介紹，碳衛(wèi)星發(fā)射入軌之后，將開(kāi)始長(zhǎng)達(dá)3年的工作，每天記錄長(zhǎng)達(dá)約10小時(shí)的數(shù)據(jù)，定期提供我國(guó)及全球二氧化碳濃度分布圖并為全球氣候研究提供依據(jù)。

碳衛(wèi)星在太空如何工作？“這顆衛(wèi)星需要在太空中跳舞，既要會(huì)跳華爾茲還要能翻筋斗。”盧乃錳說(shuō)。

盧乃錳之所以說(shuō)“跳舞”，是因?yàn)樾l(wèi)星觀測(cè)模式比較復(fù)雜，需要在太空不停地旋轉(zhuǎn)，要斜著看、豎著看、盯著看。斜著看，就是耀斑觀測(cè)模式，利用太陽(yáng)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(shù)據(jù)；豎著看即天底觀測(cè)模式，在地面進(jìn)行二氧化碳的觀測(cè)；盯著看，就是衛(wèi)星在飛行過(guò)程中，始終瞄準(zhǔn)一個(gè)特定目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，完成既定任務(wù)。除此之外，碳衛(wèi)星還要觀測(cè)太陽(yáng)和月亮，進(jìn)行對(duì)日、對(duì)月定標(biāo)。

這種復(fù)雜和高難度的“跳舞”，是為了讓衛(wèi)星能夠更加有效地觀測(cè)全球二氧化碳分布信息。“海面反射的光很弱，比如我們拿一個(gè)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(wèi)星經(jīng)過(guò)海平面時(shí)，也需要相應(yīng)調(diào)整‘舞姿’?！编嵱駲?quán)說(shuō)。

“大家看到衛(wèi)星在天上翩翩起舞，覺(jué)得很美，但搞衛(wèi)星的人通常一聽(tīng)到這種需求就心驚肉跳。”盧乃錳說(shuō)，高精度的觀測(cè)對(duì)衛(wèi)星技術(shù)要求極高，衛(wèi)星平臺(tái)研究人員攻克了“復(fù)雜姿態(tài)指向控制技術(shù)”難題，給衛(wèi)星配備了復(fù)雜姿態(tài)控制系統(tǒng)，使它可以在太空中實(shí)現(xiàn)多種模式的觀測(cè)。

盧乃錳介紹，日本GOSAT的有效觀測(cè)點(diǎn)只有300多個(gè)，我國(guó)碳衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)加大了掃描寬度，增加了采樣點(diǎn)，觀測(cè)效果提升數(shù)倍。

監(jiān)測(cè)全球二氧化碳一兩顆衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我國(guó)發(fā)射的是全球第三顆，不久將來(lái)歐洲也將加入碳衛(wèi)星計(jì)劃?！拔覀兿Ｍ推渌麌?guó)家合作形成碳衛(wèi)星‘虛擬星座’，聯(lián)合觀測(cè)大氣二氧化碳”。盧乃錳說(shuō)。據(jù)介紹，我國(guó)已經(jīng)制定了數(shù)據(jù)管理辦法，將適時(shí)對(duì)外發(fā)布。（記者 喻思孌 劉毅）