首顆中國碳衛星“碳”秘之旅：監測全球二氧化碳濃度變化

李妹妍

“目前衛星已準確進入距離地面700公里外的預定軌道，將進行6個月的在軌測試。”碳衛星地面應用系統總指揮、國家衛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測數據”。

◇太空怎么“探”？

高分辨率探測儀能測1%濃度變化

“碳衛星通過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。”碳衛星首席應用科學家、國家衛星氣象中心總工程師盧乃錳告訴記者，碳衛星主要由模塊化衛星平臺、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雜觀測模式的民用衛星。

據介紹，與以往的氣象衛星不同，碳衛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，而按照項目設計，對大氣中二氧化碳的濃度監測的精度優于4ppm （百萬分比濃度）。這也意味著，碳載荷必須能發現大氣中二氧化碳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。”碳衛星二氧化碳探測儀負責人、中科院長春光學精密機械與物理研究所研究員鄭玉權告訴記者，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，是反復的技術攻關和大量的空間可靠性試驗。鄭玉權介紹稱，六年間，碳載荷研究人員從“無”到“有”，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，一點點攻克技術難關，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，衛星平臺研究人員攻克了多項技術難題，為衛星配備了復雜姿態指向控制系統，使它可以在太空中實現頻繁大角度姿態機動，跳出“太空華爾茲”。

◇地面如何“測”？

數據要經全新高精度反演處理

“碳衛星在繞地飛行的時候，把東西向20公里范圍內的信息收集起來，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，碳衛星采集到原始數據后，地面應用系統將對衛星數據進行接收并進行遙感資料的預處理。

他告訴記者，依托風云極軌氣象衛星地面應用系統建設，通過精心設計和適用性改造，碳衛星觀測的全球原始數據經由風云三號的瑞典基律納站和國內的佳木斯、烏魯木齊地面接收站，被傳送匯集至中國氣象局國家衛星氣象中心。

“在這里，研究人員將數據進行定位、光譜定標和輻射定標處理，產生高精度的高光譜分辨率輻射信號。”張鵬稱，但是，這些數據并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經過大氣物理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，反演是整個處理過程的核心。

什么是反演？碳衛星首席應用科學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，根據模型，計算出衛星應該觀測到的光譜，是正演，而根據衛星獲取的數據，由模型反算出二氧化碳濃度，就是反演。“以往氣象衛星所涉及的反演問題，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，反演算法非常復雜。”盧乃錳表示，地面應用系統科研人員集中國內優勢單位聯合攻關，成功攻克全球數據快速接收、高精度定標和二氧化碳反演、科學驗證等20項關鍵技術，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，填補了國內技術空白。

◇未來怎么“用”？

與美日碳衛星形成互補關系

“碳衛星發射3～6個月后，國家衛星氣象中心將聯合中國科學院的儀器研制單位完成對碳衛星各項功能和性能指標的在軌測試和評價，隨后有望發布第一批全球二氧化碳數據。”張鵬介紹說，二氧化碳濃度數據將對全球的用戶公開，成為全球二氧化碳監測網絡的重要組成部分。

據了解，在經過半年的在軌測試后，碳衛星將正式投入運行，每日記錄長約10小時的數據，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。碳衛星獲取的信息經過地面應用系統解析和處理，最終形成不同季節、不同地區的碳排放情況報告。

按照項目設計，我國的碳衛星大氣二氧化碳反演精度可達到1—4ppm，比日本GOSAT衛星監測精度高，與美國OCO-2衛星相當。國家衛星中心研究員張興贏告訴記者，美國OCO-2衛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，而這些信息是衛星探測二氧化碳非常重要的輔助觀測信息。“中國碳衛星的空間分辨率將超過美日衛星，達到1～2公里，也就是說兩個相鄰較大的小區排放二氧化碳的差別都將可能被分辨出來。”

事實上，碳衛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結論來應對全球氣候變化。

“數據獲取周期過長是目前碳衛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測圖，需要碳衛星在太空跑2～3個月，導致這一狀況的根本原因，就是碳衛星監測到的數據點還遠遠不夠。

監測全球二氧化碳，一兩顆衛星遠遠不夠，我國發射碳衛星實際上與美日的碳衛星形成了相互補充的關系。“隨著碳衛星數目的增加，10天平均甚至更短周期的數據都有可能實現。”在張鵬看來，描述CO2的變化，需要更多衛星累積基礎數據。“有了數據，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，為保護地球環境做出積極貢獻。”

◇意義在哪里？

提升碳交易談判等方面主動權

在中國之前，只有美國和日本發射了自己的碳衛星。

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

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

“大家對發射碳衛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監測，這對中國而言，是一種全新的挑戰。“我們剛開始也是兩眼一抹黑，心里完全沒有底。”

“碳衛星需要高光譜分辨率、高靈敏度的先進遙感儀器，其對核心技術攻關和工程化研制的要求都非常高。”說起研制過程，鄭玉權感慨頗多。項目之初，載荷團隊一面要加緊攻破各項關鍵技術，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常狀態，沒有比實驗室的一張小床更溫暖的窩了。”

自2011年啟動開始，從總體方案設計、關鍵技術攻關開始，到最后完成整星研制、具備發射狀態，歷經近6年的時間。“我們在反復權衡功能、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，中國的碳衛星不僅實現了各項設計指標，還極大地帶動了我國多項相關技術的突破，填補了技術空白。

（本文轉自金羊網）