地球大氣環境的偵察兵

沈羨云

2016年12月22日3時22分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號運載火箭成功將“全球二氧化碳監測科學實驗衛星”（簡稱“嗅碳衛星”）發射升空。這是繼日本“呼吸”號衛星、美國“軌道碳觀測者”2號（OCO-2）衛星之后，全球第三顆嗅碳衛星。該衛星的成功研制和后續在軌穩定運行，將使我國初步形成針對全球、中國及其他重點地區大氣二氧化碳濃度進行監測的能力。為什么要發射嗅碳衛星？嗅碳衛星如何嗅碳？我國發射的這顆嗅碳衛星有哪些先進技術？

為什么要發射嗅碳衛星

嗅碳衛星是人造地球衛星中專門測量地球二氧化碳濃度的衛星。嗅碳衛星對二氧化碳濃度的測量精度能夠達到百萬分之一，是人們掌握高精度二氧化碳測量數據的得力“助手”。借助衛星上攜帶的光譜儀等儀器，科學家們可以動態測量大氣中不同來源的二氧化碳，監測海洋和森林等對二氧化碳的吸附情況。

為何要通過衛星來追蹤二氧化碳？人類目前每年因使用礦物燃料向地球大氣中排放的二氧化碳超過300億噸，生物燃料、森林火災以及農業焚燒等行為每年共排放二氧化碳達55億噸。過去50年來，人類活動已導致大氣中的二氧化碳水平升高了近20%。科學界認為，人類活動使自然界的碳循環失衡，以二氧化碳為主的溫室氣體是導致全球氣候變暖的主要因素。因此，全球二氧化碳排放亟須更精確的監測研究。

目前，人類對二氧化碳掌握的知識體系還不健全，還有許多疑問待解決，例如，二氧化碳聚集在哪個區域、哪個大氣層及其在大氣中的運動和分布規律;溫度怎樣影響二氧化碳運動;自然界天然排放的二氧化碳所占比例是多少，這一比例如何變化以及海洋系統如何吸附二氧化碳;這些都能夠由嗅碳衛星的數據進一步證實。所以，通過嗅碳衛星來掌握二氧化碳在各地區的循環和分布情況是研究氣候變化的一條捷徑。

嗅碳衛星如何“嗅碳”

我國研制的這顆嗅碳衛星，搭載了一臺高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。這臺探測儀的工作原理是，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。簡單來說，就是通過看“顏色”來識別二氧化碳氣體。因為太陽光經過空氣時，二氧化碳分子對許多精細的顏色有不同程度的吸收，嗅碳衛星通過精細測量其光譜吸收線，可以通過光學儀器對這些色彩進行非常精準的測算，從而能反向推算出二氧化碳分子數量，最終得知大氣中的二氧化碳濃度。

中國的嗅碳衛星

具有哪些先進技術

盡管中國的嗅碳衛星是個只有幾百千克重的小衛星，卻有著許多“高精尖”技術。

1.極高的靈敏度

二氧化碳濃度變化很快，但從數字上看，平均每年也只是在零點幾個ppm到1個ppm之間變化，想把信號探測出來，儀器靈敏度不高的話，只能作罷。中國的嗅碳衛星上裝著一個靈敏度很高的二氧化碳探測儀。幾十納米的帶寬上，人眼看是一個顏色，而通過二氧化碳探測儀的2000多個通道，可以將這些微小差異的顏色區分開來，可以發現1～4個ppm二氧化碳濃度的變化，這不亞于美國OCO-2的水平。它是嗅碳衛星搭載的主載荷，可通過獲取高精度的大氣吸收光譜，應用反演算法計算出二氧化碳的濃度。此外，中國嗅碳衛星上還有一個連美國OCO-2衛星上都沒有的云和氣溶膠探測儀，它可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度排除干擾因素，還可為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

2.繪制覆蓋全球的二氧化碳監測圖

有了嗅碳衛星，如何算出全球范圍內的二氧化碳排放也是個難題。全球范圍內二氧化碳的流動情況是怎么樣的？它是從哪里排放出來的，又在哪里被植被、海洋等吸收？這就需要把嗅碳衛星獲得的二氧化碳遙感濃度，嵌套進大氣二氧化碳傳播模型中。我國科學家已攻破了這方面的難題。

3.復雜的反演驗證系統

反演驗證系統是獲取衛星數據后通過模型反算出二氧化碳濃度，這也是技術難點。以往氣象衛星所涉及到的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而嗅碳衛星所涉及到的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機理不同，難度加大。我國集中國內優勢力量聯合攻關，終于成功填補了國內有關技術空白。

4.穩定的舞步

嗅碳衛星只有一只“眼睛”，它需要不停轉換角度來完成對不同方向的觀測。所以衛星要不斷地調整姿態，就像跳優美的華爾茲。這種沒完沒了、靈活多變的觀測模式是衛星領域科學家最忌諱的——畢竟是在太空，沒有任何著力點，要是翻過去翻不回來了怎么辦？為了特定的科學目標，我國科學家解決了嗅碳衛星在天上不斷“做動作”的難題。

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“嗅碳”家族三成員

由于技術難度極高，目前世界上僅有3顆嗅碳衛星在太空中工作，分別是觀測大氣中二氧化碳和甲烷等濃度的日本“呼吸”號、專門測量大氣中二氧化碳濃度的美國“軌道碳觀測者”2號以及我國新發射的首顆嗅碳衛星。

世界首顆溫室氣體觀測衛星——日本“呼吸”號于2009年1月23日發射升空，配備高精度的傳感器觀測地球上二氧化碳等溫室氣體的濃度。

相比于日本的一鳴驚人，美國的嗅碳衛星研究之路則顯得略微曲折。2009年2月，美國躍躍欲試，嘗試發射首顆嗅碳衛星，但在發射升空過程中，運載火箭發生故障墜毀在南極附近海域。在查清原因后，美國國家航空航天局在2014年7月2日發射“軌道碳觀測者”2號，主要使命是監測研究地球大氣中的二氧化碳濃度水平。其中的“秘密武器”是3臺高分辨率光譜儀，科學家可以通過這些儀器估算大氣中二氧化碳等物質的相對濃度，以實現對地球大氣二氧化碳水平更精確、全面的測算，并更準確地預測氣候變化。

【責任編輯】蒲暉