“嗅碳衛星”地球之上的靈魂舞者

在節能減排刻不容緩的形勢下，碳衛星翩翩起舞，通過多種觀測模式組合，讓碳排放無處遁形

1992年，世界各國簽署了《聯合國氣候變化框架公約》，意在將大氣二氧化碳濃度穩定在某一水平上以防止人類活動嚴重干擾氣候系統。之后，數次全球范圍內的氣候大會，都顯示出國際社會對溫室氣體排放導致全球氣候變化的普遍認同，氣候變化問題已超越地緣政治成為關系人類命運的重要議題。

在節能減排刻不容緩的形勢下，為了達到“巴厘路線圖”的“三可”量化減排目標（可測量、可報告、可核查）和相應的計量方法，各國政府都迫切希望科學家們能拿出切實可行的測量方法和技術，為全球碳循環的研究提供可信的數據支持。

為了在全球和區域尺度獲取碳循環研究所需的二氧化碳通量信息，星載二氧化碳探測技術成為“嗅碳”的首要突破點，然而極大的技術難度使目前全球僅有兩顆衛星在軌工作。一是日本于2009年成功發射了溫室氣體觀測衛星“呼吸”號，另一個是美國2014年發射的OCO-2衛星。2015年12月22日，美國NASA公布了首張全球二氧化碳分布圖，其中中低緯度部分地區的大氣二氧化碳濃度突破了400ppm（即百萬分之四百）。

探測大氣污染

2009年，國家遙感中心組織專家組開始中國碳衛星的前期戰略研究工作；2011年在863計劃的支持下“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范”重大項目（中國碳衛星）正式立項。項目目標是研制并發射一顆“以高光譜二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監測科學試驗衛星”，建立高光譜衛星地面數據處理與驗證系統，形成對全球、中國及其它重點地區大氣二氧化碳濃度監測能力，監測精度達到1-4ppm。

碳衛星實現大氣溫室氣體探測是基于大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應用反演算法即可計算出衛星在觀測路徑上二氧化碳的柱濃度。

通過對全球柱濃度的序列分析，并借助數據同化系統的一系列模型，可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時間通過單位面積的二氧化碳總量），這正是碳循環研究的核心數據基礎。

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。探測儀采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06?m、1.6?m、0.76?m三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，如此高的分辨率在國內光譜儀器的研制上尚屬首次。

科學家將這項操作類比檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測儀可以把指紋放大一百倍，精細的測量每條指紋的寬度和深度。

要實現這些核心指標可不是一件容易的事情，科學家們既需要對觀測和定標進行巧妙的設計，還需要能做出極高的衍射效率和面型精度大面積全息光柵。據中科院長春光機所研究員鄭玉權介紹，為突破探測儀上的關鍵技術，科研人員從最基礎的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統研究出發，一點點攻克技術難點，最終在SiC基底上制造出高精度衍射光柵，并在航空較飛試驗中進行了驗證。

二氧化碳探測儀與其他很多星載光學載荷不同，為了提高兩個紅外通道的信噪比、保證光譜探測精度，其在軌工作時要保持在-5℃的溫度水平。就是這一簡單的條件變化，讓科研人員付出巨大的努力，在進行所有的組件、整機裝調工作時都必須在-5℃條件下，于是，在載荷初樣、正樣研制最緊張的階段，研究人員連續數月在低溫室里工作，經常是戶外30℃以上的高溫，而低溫室內卻要穿著厚厚的羽絨服、凍著手堅持裝調。

碳衛星的定標難題

碳衛星重約620公斤，由三部分組成：模塊化衛星平臺、高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀。

為滿足碳衛星在5種觀測模式和十余種指向模式間自如切換的要求，這也是我國迄今為止觀測模式最復雜的民用衛星，它通過多種觀測模式的組合，讓碳排放無處遁形。

當然，碳衛星還面臨著定標難題。二氧化碳探測儀定標系統負責人藺超介紹，定標技術是光譜儀器最終實現精度的關鍵技術，為保證最終的光譜數據的精準，必須在實驗室和在軌工作時對儀器的光譜性能和輻射性能進行精準標定。科研人員不但為二氧化碳探測儀量身特制了真空定標系統，還利用可調諧激光器和波長及搭建自動化定標系統，大幅提高了實驗室定標的效率，使儀器的定標周期較OCO-2大幅縮短。

為了讓二氧化碳濃度探測更加精準，科研人員還給碳衛星裝上了另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO2濃度剔除干擾因素。

當然，云與氣溶膠探測儀作用還不僅于此。據科技部遙感中心總工程師李加洪介紹，它還可以獲取全球尺度氣溶膠數據，這不僅可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，還可以為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

衛星在天上大展拳腳，但是僅靠它單打獨斗是遠遠不能完成使命的，若要實現最終任務目標，需要多個大系統協調配合。在科技部、中國科學院的共同組織下，碳衛星按照航天工程模式，組成了衛星、運載、發射場、測控、應用五大系統。

碳衛星發射運行后，科學數據將依托風云系列地面接收站資源完成數據下傳。這些數據并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經過氣象學家進行高精度的全球二氧化碳分布反演計算，才能最終成為全球二氧化碳觀測數據產品并共享發布。

碳衛星肩負著巨大的使命進入太空探索，除了進行相關科學試驗，更好地掌握二氧化碳的全球分布規律、機理，還有巨大的應用價值。“后期衛星傳送的信息進行處理、加工、分享、服務時都會按照應用的需求，與其他國家共享，同時有效指導我國的節能減排。”李加洪說。

“小衛星”的大責任

碳衛星最終實現全球觀測，還需要衛星平臺實現靈活的觀測模式。二氧化碳探測儀與衛星平臺配合，通過主平面天底和耀斑兩種主要觀測模式，才能對全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進行精確測量。為保證在軌獲取光譜數據的精度，載荷需要進行對日、對月定標，這也需要衛星平臺頻繁調整姿態、翩翩起舞。中國碳衛星絕對是地球之上的靈魂舞者。

“很少有衛星冒險在天上不停地翻跟頭，一般都要求衛星動作越少越好。這對衛星平臺設計是很大的挑戰。”碳衛星首席應用科學家盧乃錳說，“如果有一顆掛在地球之上的衛星，每天都在繞著地球跑圈，經過幾個月，就能把全球每個角落的二氧化碳情況都看到。”

氣候問題是全人類共同面對的問題，解決氣候問題、監測碳排放也是需要世界各國努力合作的問題。李加洪曾談到“做全球二氧化碳監測僅僅一兩顆衛星是不夠的，我國（碳衛星）是第三顆，歐洲也將碳衛星列入計劃。我們希望通過這顆衛星和其他幾個國家合作形成碳衛星‘虛擬星座，聯合觀測大氣二氧化碳，為全球氣候變化提供更加豐富的監測數據”。

正如習近平總書記在巴黎氣候大會發言時強調，“應對氣候變化是人類共同的事業……要推動建立公平有效的全球應對氣候變化機制、實現更高水平全球可持續發展。”

中國碳衛星正是中國人民和中國政府積極參與應對氣候問題、擔負大國責任的體現。