首顆中國碳衛(wèi)星“碳”秘之旅：監(jiān)測全球二氧化碳濃度變化

李妹妍

“目前衛(wèi)星已準確進入距離地面700公里外的預(yù)定軌道，將進行6個月的在軌測試。”碳衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮、國家衛(wèi)星氣象中心副主任張鵬接受采訪時表示，在未來3年中，這顆620公斤重的碳衛(wèi)星將每16天對地球進行一次全面的二氧化碳排放情況“體檢”，“這將成為我國第一手的二氧化碳監(jiān)測數(shù)據(jù)”。

◇太空怎么“探”？

高分辨率探測儀能測1%濃度變化

“碳衛(wèi)星通過5種觀測模式的組合，完成對全球二氧化碳的探測，衛(wèi)星裝載的高光譜二氧化碳探測儀有2000多個通道，光譜解析度極高。”碳衛(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家、國家衛(wèi)星氣象中心總工程師盧乃錳告訴記者，碳衛(wèi)星主要由模塊化衛(wèi)星平臺、高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀與多譜段云與氣溶膠探測儀組成，我國以前還沒有這么復(fù)雜觀測模式的民用衛(wèi)星。

據(jù)介紹，與以往的氣象衛(wèi)星不同，碳衛(wèi)星是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會對許多精細的顏色有不同程度吸收，通過碳衛(wèi)星對二氧化碳光譜吸收線進行精準的測量，可以反向推算出二氧化碳分子數(shù)量，從而得知大氣中的二氧化碳濃度。”

在大氣中，二氧化碳的濃度只有萬分之四左右，而按照項目設(shè)計，對大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測的精度優(yōu)于4ppm （百萬分比濃度）。這也意味著，碳載荷必須能發(fā)現(xiàn)大氣中二氧化碳1%的濃度變化。

“要達到這么精細的分辨率，必須要有大面積光柵。”碳衛(wèi)星二氧化碳探測儀負責人、中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研究員鄭玉權(quán)告訴記者，在幾十納米的帶寬上，用人眼看只有一個顏色，二氧化碳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微米、1.6微米、0.76微米三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04納米，如此高的分辨率在國內(nèi)光譜儀器的研制中尚屬首次。

原子級別的超凡“視力”背后，是反復(fù)的技術(shù)攻關(guān)和大量的空間可靠性試驗。鄭玉權(quán)介紹稱，六年間，碳載荷研究人員從“無”到“有”，從最基礎(chǔ)的制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點點攻克技術(shù)難關(guān)，最終才在碳化硅基底上制造出高精度衍射光柵。

而為滿足碳衛(wèi)星在5種觀測模式和十余種指向模式間自如切換的要求，衛(wèi)星平臺研究人員攻克了多項技術(shù)難題，為衛(wèi)星配備了復(fù)雜姿態(tài)指向控制系統(tǒng)，使它可以在太空中實現(xiàn)頻繁大角度姿態(tài)機動，跳出“太空華爾茲”。

◇地面如何“測”？

數(shù)據(jù)要經(jīng)全新高精度反演處理

“碳衛(wèi)星在繞地飛行的時候，把東西向20公里范圍內(nèi)的信息收集起來，然后把帶有太陽光反射或散射情況的信息傳回地面接收站。”張鵬稱，碳衛(wèi)星采集到原始數(shù)據(jù)后，地面應(yīng)用系統(tǒng)將對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行接收并進行遙感資料的預(yù)處理。

他告訴記者，依托風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，通過精心設(shè)計和適用性改造，碳衛(wèi)星觀測的全球原始數(shù)據(jù)經(jīng)由風(fēng)云三號的瑞典基律納站和國內(nèi)的佳木斯、烏魯木齊地面接收站，被傳送匯集至中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心。

“在這里，研究人員將數(shù)據(jù)進行定位、光譜定標和輻射定標處理，產(chǎn)生高精度的高光譜分辨率輻射信號。”張鵬稱，但是，這些數(shù)據(jù)并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經(jīng)過大氣物理學(xué)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(shù)據(jù)產(chǎn)品并共享發(fā)布，反演是整個處理過程的核心。

什么是反演？碳衛(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家盧乃錳向記者解釋道，通俗來講，太陽的光譜是確定的，如果已知二氧化碳濃度等大氣狀況，根據(jù)模型，計算出衛(wèi)星應(yīng)該觀測到的光譜，是正演，而根據(jù)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)，由模型反算出二氧化碳濃度，就是反演。“以往氣象衛(wèi)星所涉及的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛(wèi)星所涉及的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機理不同。”

“二氧化碳反演受到云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素影響，反演算法非常復(fù)雜。”盧乃錳表示，地面應(yīng)用系統(tǒng)科研人員集中國內(nèi)優(yōu)勢單位聯(lián)合攻關(guān)，成功攻克全球數(shù)據(jù)快速接收、高精度定標和二氧化碳反演、科學(xué)驗證等20項關(guān)鍵技術(shù)，在在軌定標、高精度輻射傳輸正演模型等方面取得重要突破，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。

◇未來怎么“用”？

與美日碳衛(wèi)星形成互補關(guān)系

“碳衛(wèi)星發(fā)射3～6個月后，國家衛(wèi)星氣象中心將聯(lián)合中國科學(xué)院的儀器研制單位完成對碳衛(wèi)星各項功能和性能指標的在軌測試和評價，隨后有望發(fā)布第一批全球二氧化碳數(shù)據(jù)。”張鵬介紹說，二氧化碳濃度數(shù)據(jù)將對全球的用戶公開，成為全球二氧化碳監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

據(jù)了解，在經(jīng)過半年的在軌測試后，碳衛(wèi)星將正式投入運行，每日記錄長約10小時的數(shù)據(jù)，16天完成一個回歸周期，每兩到三個月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛(wèi)星獲取的信息經(jīng)過地面應(yīng)用系統(tǒng)解析和處理，最終形成不同季節(jié)、不同地區(qū)的碳排放情況報告。

按照項目設(shè)計，我國的碳衛(wèi)星大氣二氧化碳反演精度可達到1—4ppm，比日本GOSAT衛(wèi)星監(jiān)測精度高，與美國OCO-2衛(wèi)星相當。國家衛(wèi)星中心研究員張興贏告訴記者，美國OCO-2衛(wèi)星只有一個觀測二氧化碳的儀器，無法同時獲取云和大氣中氣溶膠的信息，而這些信息是衛(wèi)星探測二氧化碳非常重要的輔助觀測信息。“中國碳衛(wèi)星的空間分辨率將超過美日衛(wèi)星，達到1～2公里，也就是說兩個相鄰較大的小區(qū)排放二氧化碳的差別都將可能被分辨出來。”

事實上，碳衛(wèi)星還被抱有更大期待：二氧化碳的流動情況是什么樣子的？它從哪里排放出來？又在哪里被植被、海洋等吸收？“有了這些信息后，我們才可以清晰地掌握碳排放的機理和變化。”張興贏稱，這樣一來，可以有的放矢地制定減排政策措施，還可以獲得更多的科學(xué)結(jié)論來應(yīng)對全球氣候變化。

“數(shù)據(jù)獲取周期過長是目前碳衛(wèi)星所面臨的一大困境。”張鵬坦率地說，目前，獲得一張覆蓋全球二氧化碳監(jiān)測圖，需要碳衛(wèi)星在太空跑2～3個月，導(dǎo)致這一狀況的根本原因，就是碳衛(wèi)星監(jiān)測到的數(shù)據(jù)點還遠遠不夠。

監(jiān)測全球二氧化碳，一兩顆衛(wèi)星遠遠不夠，我國發(fā)射碳衛(wèi)星實際上與美日的碳衛(wèi)星形成了相互補充的關(guān)系。“隨著碳衛(wèi)星數(shù)目的增加，10天平均甚至更短周期的數(shù)據(jù)都有可能實現(xiàn)。”在張鵬看來，描述CO2的變化，需要更多衛(wèi)星累積基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。“有了數(shù)據(jù)，才可能為全球氣候變化的研究、全球溫室氣體減排政策的制定提供依據(jù)，為保護地球環(huán)境做出積極貢獻。”

◇意義在哪里？

提升碳交易談判等方面主動權(quán)

在中國之前，只有美國和日本發(fā)射了自己的碳衛(wèi)星。

“我們很難獲得第一手觀測資料。”張鵬說，更為現(xiàn)實和迫切的需求是，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對提升我國在全球氣候談判、未來碳交易等方面的主動權(quán)具有重要意義。

正是基于上述認識，中國2010年開始對碳衛(wèi)星項目進行論證，并于2011年啟動實施“十二五”863計劃重大項目“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”。

“大家對發(fā)射碳衛(wèi)星這件事已達成共識，問題是我們能否做得了和怎么做。”盧乃錳介紹稱，對全球大氣中二氧化碳濃度進行動態(tài)監(jiān)測，這對中國而言，是一種全新的挑戰(zhàn)。“我們剛開始也是兩眼一抹黑，心里完全沒有底。”

“碳衛(wèi)星需要高光譜分辨率、高靈敏度的先進遙感儀器，其對核心技術(shù)攻關(guān)和工程化研制的要求都非常高。”說起研制過程，鄭玉權(quán)感慨頗多。項目之初，載荷團隊一面要加緊攻破各項關(guān)鍵技術(shù)，進行原理驗證，一面要進行載荷工程化研制，兩線并行，壓力巨大。“夜不歸宿是研制過程中的經(jīng)常狀態(tài)，沒有比實驗室的一張小床更溫暖的窩了。”

自2011年啟動開始，從總體方案設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)開始，到最后完成整星研制、具備發(fā)射狀態(tài)，歷經(jīng)近6年的時間。“我們在反復(fù)權(quán)衡功能、精度和工藝水平后，確定了合適的配置方案。”讓盧乃錳高興的是，中國的碳衛(wèi)星不僅實現(xiàn)了各項設(shè)計指標，還極大地帶動了我國多項相關(guān)技術(shù)的突破，填補了技術(shù)空白。

（本文轉(zhuǎn)自金羊網(wǎng)）