“碳”秘之旅：碳衛星與二氧化碳的較量

王麟

在長達數千年的人類社會發展史中，原始的農耕和游牧文明主要是通過畜力、水力和風力作為原動力，水平低下的生產力對環境影響甚微，人類活動產生的二氧化碳對大氣的破壞可以忽略不計。然而，進入18世紀之后，伴隨著英國工業革命興起，世界進入了利用機械能和電能時代，社會發展進入快車道。兩百多年間，因為人類活動排放的二氧化碳濃度逐年增加，對大氣的破壞與影響越來越嚴重，并且導致了溫室效應，全球極端天氣頻頻爆發，造成巨大的生命財產損失。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，未來將不堪設想。那么我們該如何絕地反擊，來打勝這場環境保護攻堅戰呢？

二氧化碳成了環境難以承受之重

生活在當代，相信很多人對每年不期而至的極端氣候刻骨銘心，嚴寒與酷暑，颶風與海嘯，干旱與洪澇，這些自然災害破壞力驚人，造成的損失不可勝計。其實這一切的罪魁禍首都與溫室效應有關。所謂溫室效應，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，吸收和發射紅外輻射，造成地表升溫的效應。據研究，上述這些氣體對太陽短波輻射吸收很少，而對大氣長波輻射吸收很強，當空氣中溫室氣體的含量增加，就會改變大氣的熱量平衡，從而影響地氣系統的輻射平衡，導致大氣低層和地表的平均溫度上升，從而對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，但是卻對溫室效應貢獻了30%的力量。所以，研究和控制溫室效應，二氧化碳是首要目標。而化石燃料的燃燒和其他相關的人類活動，每年向大氣中排放二氧化碳300億噸，如果從工業革命開始算起，200多年間排放到大氣中的二氧化碳，已經累計高達3000億噸，濃度達到了80萬年來最高水平。根據全球氣溫監測數據可知，從20世紀50年代開始，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了0.5℃～1.1℃。二氧化碳與溫室效應的密切相關度，讓這種氣體成了環境的不可承受之重。

要想應對溫室效應，必須將全球大氣中二氧化碳濃度的準確數據和未來變化情況了然于心，也就是說，最好有一幅全球二氧化碳濃度分布圖，才能對癥下藥。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。原因為何？那就是以前的監測手段比較落后，無法獲得全球大氣中二氧化碳濃度的全面而準確的數據。

世界各國的科學家為了獲取大氣中二氧化碳的濃度數據也是絞盡了腦汁，目前，通行的檢測方法一共有3種，分別是地基、空基和星載模式（衛星遙感模式）。

所謂“地基”檢測模式，就是在地面建立多個觀測站，觀測和記錄二氧化碳濃度。這種方法發端于1957年，由美國科學家查爾斯·基林在夏威夷的莫納羅亞山上，建立起全球首個大氣二氧化碳濃度監測站，開啟了全球二氧化碳監測的先河。如今這項工作是由美國國家海洋和大氣管理局的地球系統研究實驗室承擔，具體而言是由美國阿拉斯加州的巴羅天文臺、夏威夷的莫納羅亞天文臺、薩摩亞群島天文臺和南極洲上的天文臺共同承擔檢測大氣中不同氣體成分變化情況的任務，同時，還承擔全球氣體采樣網絡、提供大氣中二氧化碳空間變化情況的任務。目前，全球設置二氧化碳地面觀測點300多個，大部分位于美國和歐洲，對于美國和歐洲之外的廣袤地區，包括海洋和沙漠，因缺乏站點，無法做到有效監測。

而“空基”二氧化碳檢測方法，是利用飛機在科學家們指定的區域內進行觀測，精度可達0.1ppm～0.2ppm。如今的美國飛機參與了多個項目的空基測量，而日本的空基測量則是利用商用飛機飛往澳大利亞、夏威夷、歐洲、北美和亞洲等國的機會，在飛機上搭載探測儀器進行溫室氣體的測量。除了利用飛機之外，熱氣球也是在大氣底層中開展空基測量的好幫手。

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

二氧化碳星載檢測技術的先行者

星載檢測技術會脫穎而出，力壓群芳，究竟靠的是哪些壓倒性的優勢呢？

原來，星載檢測技術是通過衛星平臺，對地球大氣層中的二氧化碳進行濃度檢測，繪制全球二氧化碳的濃度圖，為科學家們研究氣候變化產生的影響提供數據支持。這個衛星平臺就是我們俗稱的“碳衛星”，即全球二氧化碳監測科學實驗衛星。它可以實時捕捉大氣的二氧化碳濃度，具有統一、連續、覆蓋范圍廠的優勢。

然而，星載檢測技術雖然很高端，能夠對全球大氣的變化進行監測，但是也注定了這種技術實現難度之大。難到何種程度？全球目前只有日本、美國和中國掌握了這項技術。其中，美國和日本是星載技術的開拓者，采用的技術均基于“日光反射式被動探測原理”，即利用衛星上的望遠鏡，收集穿越大氣層后由地表反射的太陽光，當反射光進入光學系統之后，對其二氧化碳的吸收光譜進行分析，進而得到全球二氧化碳的分布圖。

美國的碳衛星OCO由美國加州理工大學噴氣推進實驗室負責研制，這是美國國家航空航天局（NASA）地球系統科學開發計劃的重要組成部分。這顆碳衛星號稱是測量大氣中的二氧化碳濃度空間分辨率最高、測量數據最精準的衛星，衛星的測量采樣率每天高達50萬～100萬次；視場分辨率為3平方千米，這里所說的“視場”，指的是衛星攝像頭能夠觀察到的最大范圍，視場越大，觀測范圍就越寬；衛星的二氧化碳光譜分辨率為20000，精度高達1ppm+2ppm。

美國發射碳衛星一波三折，2009年第一顆碳衛星OCO的發射，因為整流罩未能與第三級火箭分離，發射失敗，衛星墜毀，星載技術遭受巨大挫折。隨后，美國繼續研制了碳衛星OCO-2，一直拖延到2014年才發射成功，總造價高達4.68億美元。

相比之下，日本的第一顆碳衛星GOSAT發射就順利得多，這顆衛星是日本宇宙航空研究開發機構、日本環境部和日本國家環境研究院聯合研發而成的，搭載1臺傅里葉變換光譜儀，用于探測二氧化碳和甲烷濃度，還搭載1臺云（氣）溶膠探測儀，用于提高溫室氣體觀測精確度。它于2009年1月23日發射成功，至今服役7年時間，已經快要達到設計年限。

我國的TANSAT碳衛星后來居上

美日兩國發射的碳衛星為全球范圍內監測大氣中的二氧化碳濃度作出了開創性貢獻，這是毋庸置疑的。然而，不管是美國發射的OCO碳衛星，還是日本發射的GOSAT碳衛星，都存在技術上的不完美之處。就拿日本的GOSAT碳衛星而言，它每天的有效觀測點只有300多個，相當于在地球的幾十萬平方千米范圍內只有一個觀測點，并且最小只能探測到10千米范圍內大氣中二氧化碳的平均值，測量精度和范圍都不是太高。

鑒于美日兩國碳衛星技術的不完美，我國的科學家們對自主研發的TANSAT碳衛星進行了20多項關鍵技術攻關，克服了重重困難，終于讓衛星的技術水平上了一個臺階。2016年12月22日，在酒泉衛星發射中心，TANSAT碳衛星被成功發射。

我國發射的碳衛星的全稱叫“全球二氧化碳監測科學試驗衛星”，質量為620千克，在距地700千米的太陽同步軌道上運行，裝有高光譜二氧化碳探測儀和多譜段云（氣）溶膠探測儀，用來獲取全球包括我國重點地區大氣中二氧化碳濃度分布圖，測量精度為1ppm～4ppm，達到了國際先進水平。

與日本的碳衛星相比，我國碳衛星的掃描寬度是20千米，是日本衛星的兩倍，同時有效采樣點數也比日本衛星高出10倍以上。碳衛星上專門搭載一臺多譜段云（氣）溶膠探測儀，這是美國的碳衛星沒有的，這臺儀器非常重要，可以在觀測二氧化碳的同時，對大氣中的氣溶膠進行聯合觀測，主要是為了解決二氧化碳監測的噪音干擾問題。

TANSAT碳衛星的關鍵技術

我國的TANSAT碳衛星研發開始于2011年，其研發的核心動力，是為了打破國外的技術壟斷，掌握更多的話語權，同時為應對全球氣溫變暖獻計獻策，最終做到資源共享，為全人類的福祉作出貢獻。2011年，國家啟動實施863計劃“十二五”重大項目“全球二氧化碳監測科學試驗衛星與應用示范”研究，由中科院國家空間科學中心負責工程總體組織實施，中科院微小衛星創新研究院負責衛星系統，中科院長春光學精密機械與物理研究所研制有效載荷，中國氣象局國家衛星氣象中心負責地面數據接收處理與二氧化碳反演驗證系統的研制、建設和運行。

我國TANSAT碳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。它的工作原理是，大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性，碳衛星通過精細測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。衛星每隔16天可完成一次地球二氧化碳測繪，從而能測量地面2平方千米范圍內的二氧化碳濃度。

當碳衛星采集到原始數據后，通過設置在地面的應用系統，對衛星觀測資料進行接收、匯集和加工處理。碳衛星觀測完成的全球大氣二氧化碳濃度的原始數據，將被傳送匯集至中國氣象局國家衛星氣象中心，研究人員再將數據進行定位、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。隨后，結合地面監測站的歷史數據，再對信號進行反演，最終得到精度在]ppm～4ppm的全球二氧化碳濃度數據。

由于碳衛星的技術難度高，我國的科學家們幾經周折，才攻克了最關鍵的200毫米×200毫米的大面積衍射光柵技術和光譜儀器的定標技術。其中大面積衍射光柵技術由中科院長春光機所研制成功，觀測精度達到了原子級別，可以對二氧化碳的吸收光譜進行細分，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，如此高的分辨率也創造了國內光譜儀器的最高紀錄。

另外，TANSAT碳衛星畢竟在真空中運行，時間一長，搭載的測量設備就會因為部件老化和溫度不斷變化等原因，影響到測量儀器的精度，此時，必須采用定標技術對測量儀器進行精調，才能保障衛星的正常工作。而光學遙感定標技術，也是光譜儀器最終實現精度的關鍵技術，這種定標系統就猶如一桿秤的刻度，刻度越精準，測量精度越高。

除此之外，TANSAT碳衛星還需要解決另外一項關鍵技術，那就是讓衛星根據需要，不停地調整觀測角度和位置，保證衛星能用不同的觀測模式開展工作。比如，碳衛星可以豎著看、斜著看和盯著看。所謂“豎著看”，指的是天底觀測模式，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測；而“斜著看”，就是耀斑觀測模式，利用太陽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據；那么“盯著看”，顧名思義就是衛星在飛行過程中，始終瞄準一個特定目標進行觀測，完成預定的任務。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）