“碳”秘之旅：碳衛(wèi)星與二氧化碳的較量

王麟

在長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年的人類社會(huì)發(fā)展史中，原始的農(nóng)耕和游牧文明主要是通過(guò)畜力、水力和風(fēng)力作為原動(dòng)力，水平低下的生產(chǎn)力對(duì)環(huán)境影響甚微，人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳對(duì)大氣的破壞可以忽略不計(jì)。然而，進(jìn)入18世紀(jì)之后，伴隨著英國(guó)工業(yè)革命興起，世界進(jìn)入了利用機(jī)械能和電能時(shí)代，社會(huì)發(fā)展進(jìn)入快車道。兩百多年間，因?yàn)槿祟惢顒?dòng)排放的二氧化碳濃度逐年增加，對(duì)大氣的破壞與影響越來(lái)越嚴(yán)重，并且導(dǎo)致了溫室效應(yīng)，全球極端天氣頻頻爆發(fā)，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。氣候的劇烈變化成了懸在人類頭上的一把利劍，再不做出改變，未來(lái)將不堪設(shè)想。那么我們?cè)撊绾谓^地反擊，來(lái)打勝這場(chǎng)環(huán)境保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)呢？

二氧化碳成了環(huán)境難以承受之重

生活在當(dāng)代，相信很多人對(duì)每年不期而至的極端氣候刻骨銘心，嚴(yán)寒與酷暑，颶風(fēng)與海嘯，干旱與洪澇，這些自然災(zāi)害破壞力驚人，造成的損失不可勝計(jì)。其實(shí)這一切的罪魁禍?zhǔn)锥寂c溫室效應(yīng)有關(guān)。所謂溫室效應(yīng)，是指大氣中的水汽、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷以及臭氧等氣體，吸收和發(fā)射紅外輻射，造成地表升溫的效應(yīng)。據(jù)研究，上述這些氣體對(duì)太陽(yáng)短波輻射吸收很少，而對(duì)大氣長(zhǎng)波輻射吸收很強(qiáng)，當(dāng)空氣中溫室氣體的含量增加，就會(huì)改變大氣的熱量平衡，從而影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，導(dǎo)致大氣低層和地表的平均溫度上升，從而對(duì)全球氣候的變化造成直接影響。

在溫室氣體中，二氧化碳雖然占比約0.031%，在空氣成分中排名第三，但是卻對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)了30%的力量。所以，研究和控制溫室效應(yīng)，二氧化碳是首要目標(biāo)。而化石燃料的燃燒和其他相關(guān)的人類活動(dòng)，每年向大氣中排放二氧化碳300億噸，如果從工業(yè)革命開(kāi)始算起，200多年間排放到大氣中的二氧化碳，已經(jīng)累計(jì)高達(dá)3000億噸，濃度達(dá)到了80萬(wàn)年來(lái)最高水平。根據(jù)全球氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，約有50%以上的地表氣溫升高，而溫室氣體在1951年到2010年的60年中，為地表溫度上升貢獻(xiàn)了0.5℃～1.1℃。二氧化碳與溫室效應(yīng)的密切相關(guān)度，讓這種氣體成了環(huán)境的不可承受之重。

要想應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)，必須將全球大氣中二氧化碳濃度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和未來(lái)變化情況了然于心，也就是說(shuō)，最好有一幅全球二氧化碳濃度分布圖，才能對(duì)癥下藥。想法雖然很好，然而，要想繪制這張圖的難度卻超出了我們的想象。原因?yàn)楹危磕蔷褪且郧暗谋O(jiān)測(cè)手段比較落后，無(wú)法獲得全球大氣中二氧化碳濃度的全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

世界各國(guó)的科學(xué)家為了獲取大氣中二氧化碳的濃度數(shù)據(jù)也是絞盡了腦汁，目前，通行的檢測(cè)方法一共有3種，分別是地基、空基和星載模式（衛(wèi)星遙感模式）。

所謂“地基”檢測(cè)模式，就是在地面建立多個(gè)觀測(cè)站，觀測(cè)和記錄二氧化碳濃度。這種方法發(fā)端于1957年，由美國(guó)科學(xué)家查爾斯·基林在夏威夷的莫納羅亞山上，建立起全球首個(gè)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)站，開(kāi)啟了全球二氧化碳監(jiān)測(cè)的先河。如今這項(xiàng)工作是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，具體而言是由美國(guó)阿拉斯加州的巴羅天文臺(tái)、夏威夷的莫納羅亞天文臺(tái)、薩摩亞群島天文臺(tái)和南極洲上的天文臺(tái)共同承擔(dān)檢測(cè)大氣中不同氣體成分變化情況的任務(wù)，同時(shí)，還承擔(dān)全球氣體采樣網(wǎng)絡(luò)、提供大氣中二氧化碳空間變化情況的任務(wù)。目前，全球設(shè)置二氧化碳地面觀測(cè)點(diǎn)300多個(gè)，大部分位于美國(guó)和歐洲，對(duì)于美國(guó)和歐洲之外的廣袤地區(qū)，包括海洋和沙漠，因缺乏站點(diǎn)，無(wú)法做到有效監(jiān)測(cè)。

而“空基”二氧化碳檢測(cè)方法，是利用飛機(jī)在科學(xué)家們指定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，精度可達(dá)0.1ppm～0.2ppm。如今的美國(guó)飛機(jī)參與了多個(gè)項(xiàng)目的空基測(cè)量，而日本的空基測(cè)量則是利用商用飛機(jī)飛往澳大利亞、夏威夷、歐洲、北美和亞洲等國(guó)的機(jī)會(huì)，在飛機(jī)上搭載探測(cè)儀器進(jìn)行溫室氣體的測(cè)量。除了利用飛機(jī)之外，熱氣球也是在大氣底層中開(kāi)展空基測(cè)量的好幫手。

然而，地基和空基測(cè)量方法都存在明顯的局限性。比如地基測(cè)量技術(shù)存在空間覆蓋度低、容易受到沙漠和高山等地形條件影響的問(wèn)題，且地面觀測(cè)基站的維護(hù)成本較高，無(wú)法獲取大范圍的二氧化碳濃度信息。而空基測(cè)量技術(shù)只有依托飛機(jī)和熱氣球等交通工具才能實(shí)施，也很容易受到惡劣氣候的影響，同時(shí)飛機(jī)和熱氣球的航線也是固定的，使得二氧化碳測(cè)量范圍狹窄，只能獲取局部二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，尚不能完成對(duì)全球大氣中溫室氣體的濃度測(cè)量，更遑論繪制全球二氧化碳濃度分布圖了。而此時(shí)，第三種辦法就派上用場(chǎng)了，那就是“星載（衛(wèi)星遙感）檢測(cè)技術(shù)”。

二氧化碳星載檢測(cè)技術(shù)的先行者

星載檢測(cè)技術(shù)會(huì)脫穎而出，力壓群芳，究竟靠的是哪些壓倒性的優(yōu)勢(shì)呢？

原來(lái)，星載檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)，對(duì)地球大氣層中的二氧化碳進(jìn)行濃度檢測(cè)，繪制全球二氧化碳的濃度圖，為科學(xué)家們研究氣候變化產(chǎn)生的影響提供數(shù)據(jù)支持。這個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)就是我們俗稱的“碳衛(wèi)星”，即全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。它可以實(shí)時(shí)捕捉大氣的二氧化碳濃度，具有統(tǒng)一、連續(xù)、覆蓋范圍廠的優(yōu)勢(shì)。

然而，星載檢測(cè)技術(shù)雖然很高端，能夠?qū)θ虼髿獾淖兓M(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是也注定了這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度之大。難到何種程度？全球目前只有日本、美國(guó)和中國(guó)掌握了這項(xiàng)技術(shù)。其中，美國(guó)和日本是星載技術(shù)的開(kāi)拓者，采用的技術(shù)均基于“日光反射式被動(dòng)探測(cè)原理”，即利用衛(wèi)星上的望遠(yuǎn)鏡，收集穿越大氣層后由地表反射的太陽(yáng)光，當(dāng)反射光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)之后，對(duì)其二氧化碳的吸收光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到全球二氧化碳的分布圖。

美國(guó)的碳衛(wèi)星OCO由美國(guó)加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制，這是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）地球系統(tǒng)科學(xué)開(kāi)發(fā)計(jì)劃的重要組成部分。這顆碳衛(wèi)星號(hào)稱是測(cè)量大氣中的二氧化碳濃度空間分辨率最高、測(cè)量數(shù)據(jù)最精準(zhǔn)的衛(wèi)星，衛(wèi)星的測(cè)量采樣率每天高達(dá)50萬(wàn)～100萬(wàn)次；視場(chǎng)分辨率為3平方千米，這里所說(shuō)的“視場(chǎng)”，指的是衛(wèi)星攝像頭能夠觀察到的最大范圍，視場(chǎng)越大，觀測(cè)范圍就越寬；衛(wèi)星的二氧化碳光譜分辨率為20000，精度高達(dá)1ppm+2ppm。

美國(guó)發(fā)射碳衛(wèi)星一波三折，2009年第一顆碳衛(wèi)星OCO的發(fā)射，因?yàn)檎髡治茨芘c第三級(jí)火箭分離，發(fā)射失敗，衛(wèi)星墜毀，星載技術(shù)遭受巨大挫折。隨后，美國(guó)繼續(xù)研制了碳衛(wèi)星OCO-2，一直拖延到2014年才發(fā)射成功，總造價(jià)高達(dá)4.68億美元。

相比之下，日本的第一顆碳衛(wèi)星GOSAT發(fā)射就順利得多，這顆衛(wèi)星是日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、日本環(huán)境部和日本國(guó)家環(huán)境研究院聯(lián)合研發(fā)而成的，搭載1臺(tái)傅里葉變換光譜儀，用于探測(cè)二氧化碳和甲烷濃度，還搭載1臺(tái)云（氣）溶膠探測(cè)儀，用于提高溫室氣體觀測(cè)精確度。它于2009年1月23日發(fā)射成功，至今服役7年時(shí)間，已經(jīng)快要達(dá)到設(shè)計(jì)年限。

我國(guó)的TANSAT碳衛(wèi)星后來(lái)居上

美日兩國(guó)發(fā)射的碳衛(wèi)星為全球范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)大氣中的二氧化碳濃度作出了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，這是毋庸置疑的。然而，不管是美國(guó)發(fā)射的OCO碳衛(wèi)星，還是日本發(fā)射的GOSAT碳衛(wèi)星，都存在技術(shù)上的不完美之處。就拿日本的GOSAT碳衛(wèi)星而言，它每天的有效觀測(cè)點(diǎn)只有300多個(gè)，相當(dāng)于在地球的幾十萬(wàn)平方千米范圍內(nèi)只有一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并且最小只能探測(cè)到10千米范圍內(nèi)大氣中二氧化碳的平均值，測(cè)量精度和范圍都不是太高。

鑒于美日兩國(guó)碳衛(wèi)星技術(shù)的不完美，我國(guó)的科學(xué)家們對(duì)自主研發(fā)的TANSAT碳衛(wèi)星進(jìn)行了20多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，克服了重重困難，終于讓衛(wèi)星的技術(shù)水平上了一個(gè)臺(tái)階。2016年12月22日，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，TANSAT碳衛(wèi)星被成功發(fā)射。

我國(guó)發(fā)射的碳衛(wèi)星的全稱叫“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”，質(zhì)量為620千克，在距地700千米的太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行，裝有高光譜二氧化碳探測(cè)儀和多譜段云（氣）溶膠探測(cè)儀，用來(lái)獲取全球包括我國(guó)重點(diǎn)地區(qū)大氣中二氧化碳濃度分布圖，測(cè)量精度為1ppm～4ppm，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

與日本的碳衛(wèi)星相比，我國(guó)碳衛(wèi)星的掃描寬度是20千米，是日本衛(wèi)星的兩倍，同時(shí)有效采樣點(diǎn)數(shù)也比日本衛(wèi)星高出10倍以上。碳衛(wèi)星上專門搭載一臺(tái)多譜段云（氣）溶膠探測(cè)儀，這是美國(guó)的碳衛(wèi)星沒(méi)有的，這臺(tái)儀器非常重要，可以在觀測(cè)二氧化碳的同時(shí)，對(duì)大氣中的氣溶膠進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，主要是為了解決二氧化碳監(jiān)測(cè)的噪音干擾問(wèn)題。

TANSAT碳衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)的TANSAT碳衛(wèi)星研發(fā)開(kāi)始于2011年，其研發(fā)的核心動(dòng)力，是為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，掌握更多的話語(yǔ)權(quán)，同時(shí)為應(yīng)對(duì)全球氣溫變暖獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，最終做到資源共享，為全人類的福祉作出貢獻(xiàn)。2011年，國(guó)家啟動(dòng)實(shí)施863計(jì)劃“十二五”重大項(xiàng)目“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”研究，由中科院國(guó)家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)工程總體組織實(shí)施，中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負(fù)責(zé)衛(wèi)星系統(tǒng)，中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制有效載荷，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心負(fù)責(zé)地面數(shù)據(jù)接收處理與二氧化碳反演驗(yàn)證系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運(yùn)行。

我國(guó)TANSAT碳衛(wèi)星裝載的高光譜二氧化碳探測(cè)儀有2000多個(gè)通道，光譜解析度極高。它的工作原理是，大氣在太陽(yáng)光照射下，二氧化碳分子會(huì)呈現(xiàn)光譜吸收特性，碳衛(wèi)星通過(guò)精細(xì)測(cè)量二氧化碳的光譜吸收線，就可以反演出大氣二氧化碳濃度。衛(wèi)星每隔16天可完成一次地球二氧化碳測(cè)繪，從而能測(cè)量地面2平方千米范圍內(nèi)的二氧化碳濃度。

當(dāng)碳衛(wèi)星采集到原始數(shù)據(jù)后，通過(guò)設(shè)置在地面的應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行接收、匯集和加工處理。碳衛(wèi)星觀測(cè)完成的全球大氣二氧化碳濃度的原始數(shù)據(jù)，將被傳送匯集至中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，研究人員再將數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)處理，產(chǎn)生高精度的高光譜分辨率輻射信號(hào)。隨后，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)站的歷史數(shù)據(jù)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行反演，最終得到精度在]ppm～4ppm的全球二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。

由于碳衛(wèi)星的技術(shù)難度高，我國(guó)的科學(xué)家們幾經(jīng)周折，才攻克了最關(guān)鍵的200毫米×200毫米的大面積衍射光柵技術(shù)和光譜儀器的定標(biāo)技術(shù)。其中大面積衍射光柵技術(shù)由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功，觀測(cè)精度達(dá)到了原子級(jí)別，可以對(duì)二氧化碳的吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06微米、1.6微米、0.76微米三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04納米，如此高的分辨率也創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)光譜儀器的最高紀(jì)錄。

另外，TANSAT碳衛(wèi)星畢竟在真空中運(yùn)行，時(shí)間一長(zhǎng)，搭載的測(cè)量設(shè)備就會(huì)因?yàn)椴考匣蜏囟炔粩嘧兓仍颍绊懙綔y(cè)量?jī)x器的精度，此時(shí)，必須采用定標(biāo)技術(shù)對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行精調(diào)，才能保障衛(wèi)星的正常工作。而光學(xué)遙感定標(biāo)技術(shù)，也是光譜儀器最終實(shí)現(xiàn)精度的關(guān)鍵技術(shù)，這種定標(biāo)系統(tǒng)就猶如一桿秤的刻度，刻度越精準(zhǔn)，測(cè)量精度越高。

除此之外，TANSAT碳衛(wèi)星還需要解決另外一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，那就是讓衛(wèi)星根據(jù)需要，不停地調(diào)整觀測(cè)角度和位置，保證衛(wèi)星能用不同的觀測(cè)模式開(kāi)展工作。比如，碳衛(wèi)星可以豎著看、斜著看和盯著看。所謂“豎著看”，指的是天底觀測(cè)模式，利用地面的漫反射特性開(kāi)展地面二氧化碳的觀測(cè)；而“斜著看”，就是耀斑觀測(cè)模式，利用太陽(yáng)光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)；那么“盯著看”，顧名思義就是衛(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)，完成預(yù)定的任務(wù)。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）