如何"看清"大氣中的二氧化碳

林莉文

為何發(fā)射碳衛(wèi)星

二氧化碳是溫室氣體的主要組成部分，它就像地球上空的一個罩子，會吸收地表反射的長波輻射，造成全球變暖。盡管全球變暖問題一直是全球關(guān)注的熱點，但對全球大氣碳含量的空間分布情況等問題，數(shù)量有限的地面監(jiān)測站往往難以提供準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)。

2009年，日本發(fā)射了世界上首顆溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT;2014年，美國緊隨其后，發(fā)射OCO-2衛(wèi)星。2016年，我國正式發(fā)射了首顆碳衛(wèi)星，它搭載了超高精度的探測儀，能夠探測到大氣中二氧化碳1%的濃度變化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳探測的全球覆蓋。對于碳排放數(shù)據(jù)的監(jiān)測，中國唯有擁有自主數(shù)據(jù)，做到知己知彼，才能在全球氣候談判中掌握主動權(quán)，提升話語權(quán)。

碳衛(wèi)星檔案

我國發(fā)射的碳衛(wèi)星是一顆極軌衛(wèi)星，它每天在地球上空700千米高度的軌道上圍繞地球經(jīng)南北兩極運行，平均每天圍著地球“跑”14—15圈，給地球上空的大氣作“掃描”。碳衛(wèi)星每軌能收集軌道東西向20千米范圍內(nèi)的大氣環(huán)境信息，這樣，碳衛(wèi)星一天便能獲取覆蓋約300平方千米區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。按理論計算，如果擁有140天、2000條軌道的觀測數(shù)據(jù)，就能獲得一張無縫隙、覆蓋全球的二氧化碳監(jiān)測圖。

科學(xué)家們用“會跳舞”來形容這顆碳衛(wèi)星在監(jiān)測二氧化碳的過程中所呈現(xiàn)的動態(tài)運行軌跡。要想“翩翩起舞”，碳衛(wèi)星首先需要一種輕盈的身姿。碳衛(wèi)星屬于微小衛(wèi)星，身材嬌小，質(zhì)量“瘦身”到僅有約600千克。

與以往只用單一對地姿態(tài)探測地球的氣象衛(wèi)星不同，碳衛(wèi)星采取了幾種交互觀測模式：耀斑觀測模式利用太陽光在海面的鏡面反射獲取海面上空的二氧化碳數(shù)據(jù);天底觀測模式利用地面的漫反射特性開展對地面二氧化碳的觀測;在目標(biāo)模式狀態(tài)下，碳衛(wèi)星可與地面二氧化碳觀測站高精度測量設(shè)備實現(xiàn)相互比對，校驗數(shù)據(jù)。因此，碳衛(wèi)星可謂神通廣大、明察秋毫，不會放過二氧化碳的任何蛛絲馬跡。

怎樣“捕捉”二氧化碳的蹤跡

大氣中存在多種氣體以及懸浮的液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)，“狡猾”的二氧化碳便隱藏其中，濃度只有萬分之四左右。那么，碳衛(wèi)星又是如何從成分眾多的大氣中，識別并“看”清含量微小的二氧化碳?xì)怏w的呢？

碳衛(wèi)星上搭載有兩個“秘密武器”——“高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀”和“多譜段云與氣溶膠探測儀”。正是這兩個超高精度遙感探測儀，給碳衛(wèi)星配備了一雙“火眼金睛”。

二氧化碳探測儀主要通過二氧化碳分子吸收太陽輻射的情況來探測二氧化碳的濃度。太陽輻射經(jīng)過大氣時，二氧化碳分子對太陽輻射中許多不同波長的光有不同程度的吸收。通過光學(xué)儀器對光譜吸收結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)測量和分析，便可以反向推算出二氧化碳分子的數(shù)量，從而得知大氣中二氧化碳的濃度。

二氧化碳探測儀上的精細(xì)結(jié)構(gòu)很多，如大面積的光學(xué)精細(xì)結(jié)構(gòu)——衍射光柵，它能將射到光柵上的光束按波長的不同進(jìn)行色散﹐再聚焦而形成光譜。光柵如同微型結(jié)構(gòu)的細(xì)密梳子，在相當(dāng)于頭發(fā)絲粗細(xì)的寬度上便設(shè)有數(shù)百條狹縫，能使通過的光線產(chǎn)生精細(xì)的光譜結(jié)構(gòu)，而二氧化碳探測儀則主要是通過看光譜結(jié)構(gòu)的“顏色”來識別并反推出二氧化碳?xì)怏w的含量的。

碳衛(wèi)星上搭載的多譜段云與氣溶膠探測儀的作用也不容小覷。當(dāng)太陽光輻射進(jìn)入大氣后，會受到分子散射、云和氣溶膠散射的影響，部分太陽光還會被其他氣體（如水蒸氣和甲烷）吸收，這些都會對觀測結(jié)果產(chǎn)生影響。多譜段云與氣溶膠探測儀可探測霧霾，測量云、大氣顆粒物等，為二氧化碳測定這條“數(shù)據(jù)生產(chǎn)加工線”剔除諸多的干擾因素。而且，對顆粒物和霧霾等污染物的監(jiān)測也能有效提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。