首顆中國碳衛星成功發射 將為應對氣候變化作出積極貢獻

照片均由本報記者 杜 芳攝

　　12月22日3時22分，酒泉衛星發射中心，全球二氧化碳監測科學試驗衛星（簡稱“碳衛星”）發射升空。這是首顆中國籍碳衛星，它將帶著為地球體檢的使命，從遙遠的太空探視全球二氧化碳分布的秘密，摸清全球氣候變化的“病因”。“地球體檢師”為何要遠赴太空看病？它的技術水平如何？其到達太空后將如何履行使命？《經濟日報》記者帶您一探究竟。

　　為氣候變化“號脈”

　　氣候變化讓地球上很多地方出現種種天氣的怪現狀，包括冬天不那么冷了、極端天氣增多、時而旱況連連，時而又水澇成災……從人類有限的對大氣二氧化碳的地面直接觀測史來看，150年來，大氣中的二氧化碳濃度已從280ppm上升到400ppm，這相當于給地球又蓋了層“棉被”，導致過去100年全球平均氣溫上升了約0.7℃。

　　科學家對此非常擔心，如果照此態勢發展下去，人們眼前可以看到的是冰川融化，感知到的將是災害性天氣頻發，強度增大，人類的生產生活將隨之改變。“研究人員對氣候變化進行模擬發現，如果碳排放繼續上升超過一個極限之后，屆時即便是想盡辦法降低二氧化碳排放，地球大氣中高濃度的二氧化碳也將長期存在，氣候變化將產生不可逆的后果。”碳衛星首席應用科學家、國家衛星氣象中心總工盧乃錳說。

　　應對氣候變化是牽動每個國家、每個生命的課題。觀測和研究表明，二氧化碳、甲烷等大氣溫室氣體及臭氧、氣溶膠等是影響氣候變化的關鍵因子，其中二氧化碳的作用最大。通過衛星遙感手段實現對全球氣候變化敏感因子的連續觀測是評價和應對氣候變化的有效途徑。

　　因此，發達國家紛紛積極研發專用的高精度的溫室氣體觀測衛星，由于技術難度大，目前僅有兩顆衛星巡天勘“碳”：2009年，日本發射了世界首顆溫室氣體觀測衛星（GOSAT），同年，美國的碳衛星（OCO-1）首次發射失敗，后于2014年再次發射其替代者OCO-2。

　　“探測二氧化碳分布不僅僅是科學問題，也涉及政治及環境外交問題。我國在應對氣候變化的國際談判中是否能有話語權，必須清楚全球的碳收支情況。因此獨立自主發展自己的碳衛星，實現對全球碳排放的觀測，非常重要。”盧乃錳說。

　　基于此，早在2009年，中國就開始緊鑼密鼓地對碳衛星項目進行論證；2011年，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”。經過近6年的攻關研制，我國首顆碳衛星TANSAT終于在2016年末發射成功，填補了我國碳衛星的空白，而且儀器設計不僅不亞于美日的水平，還有自己的獨到之處。

　　“日本的碳衛星每天的有效觀測點只有300多個，相當于地球幾十萬平方公里范圍內只有一個觀測點，而我國衛星掃描寬度相對而言更寬，能達到20公里。此外，我國碳衛星的有效采樣點比GOSAT高一個量級，相當于它的10倍。”盧乃錳說。

　　除對二氧化碳觀測外，我國碳衛星還可同時觀測氣溶膠。“二氧化碳和氣溶膠異常更多是人類活動的產物，加載云與氣溶膠探測儀，實現聯合觀測，不僅可以解決對二氧化碳監測的‘噪音’干擾問題，提高反演精度，而且對于科學分析兩者之間的聯系非常有利。”盧乃錳說。在這一點上，美國碳衛星沒有考慮，日本的則考慮不足。

　　衛星發射后，將定期提供我國及全球二氧化碳濃度分布圖，從圖上能夠分辨二氧化碳隨季節、區域的變化，從而監測各國家、地區的碳排放情況，摸清全球碳排放家底，這將為全球氣候研究提供依據，為保護地球環境和應對氣候變化作出積極貢獻。

　　跳著“華爾茲”巡天

　　相比發射衛星從上往下監測二氧化碳，其實通過地面系統從下往上看更容易操作。據不完全統計，在2010年左右，全球的二氧化碳地面觀測站點就有200多個，它們已經對大氣中的二氧化碳等溫室氣體進行觀測并且獲得了全球一些區域氣體濃度分布數據。既然全球有這么多觀測點可以采集大氣中二氧化碳濃度的相關數據，為什么還要發衛星？衛星在天上如何獲得精確的相關探測數據呢？

　　據中國科學院微小衛星創新研究院專家介紹，相比龐大的地球而言，地面監測站數量有限，難以獲得全球的數據，全球碳收支的總賬還不清楚，所以需要一種全球范圍區域尺度二氧化碳的測量手段。全球碳衛星發射后，不僅會明確各國碳收支的明細，還將有助于提高對全球碳循環機制的認識，從而改進氣候變化預測結果的可信度和穩定性。

　　衛星系統總設計師尹增山表示，當今碳循環科學面臨的最大問題是，在洲際、區域和局部尺度上無法觀測獲取量化的、精度高的碳通量信息，需要一種可以不斷在全球尺度上獲取高精度通量的手段。而利用衛星進行全球二氧化碳監測已經成為重要手段。

　　究竟衛星在太空如何探測二氧化碳呢？其實，碳排放的秘密就暴露在陽光下。據盧乃錳介紹，碳衛星對二氧化碳的測量原理，是通過“二氧化碳對太陽光的吸收譜線”來實現的，二氧化碳探測儀從太空觀測地氣系統反射的太陽光，利用氣體分子的吸收特性，測量出吸收譜線強度變化，從而推算出大氣中二氧化碳的濃度。

　　碳衛星有幾種觀測模式。一種是“斜著看”，即“耀斑觀測模式”，利用太陽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。一種是“豎著看”，即“天底探測模式”，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測。還有一種是“盯著看”，即衛星在飛行過程中，“目光”始終駐留在特定目標上，完成精細觀測和驗證任務。

　　盧乃錳告訴《經濟日報》記者，由于太空環境惡劣，時間一長，元器件容易老化，衛星定標系統可能發生變化，監測就不準了，所以衛星用一段時間，需要標定一下。衛星有兩種定標模式，一種是以太陽為參照物，盯著太陽定標，由于太陽的光譜非常穩定，因此可以利用太陽光作為標準源標定儀器的觀測值；還有一種模式是看月亮，月亮光比較暗，衛星飛到看不到太陽的時候，就掉個頭看月亮定標。不斷定標加上多種觀測模式交互進行，碳衛星就要不斷調整姿態，在巡天勘“碳”的過程中跳起“華爾茲”。

　　“很少有衛星冒險在天上不停地‘翻跟頭’，一般都要求衛星動作越少越好。為實現全球二氧化碳監測，需要碳衛星在天上翩翩起舞，對衛星平臺設計是很大的挑戰。”盧乃錳說。為此，衛星平臺研究人員攻克了“復雜姿態指向控制技術”難題，給衛星配備了復雜姿態控制系統，使它可以在太空中實現天底觀測、耀斑觀測、目標觀測、對日對月定標等多種模式的觀測。

　　按時分區提交“體檢報告”

　　碳衛星是我國民用衛星里最敏捷的。它到達太空后，將每16天對地球進行一次體檢，分辨率達到2×2公里，檢測的數據發送給地面。經過2至3個月的數據累計，碳衛星的觀測就可以完成對整個地球的全覆蓋。通過解析和處理可以最終形成不同季節、不同地區排放情況的“體檢報告”。

　　這個報告將是一份高質量的報告。碳項目要求，對大氣中二氧化碳的濃度監測的精度優于4ppm，而在大氣中，二氧化碳的濃度只有約萬分之四，如此低濃度的二氧化碳，只要有1%的濃度變化，碳載荷就必須能發現。為此，碳載荷研究人員采用了大面積光柵分光技術，使得衛星的光譜分辨率超過一般高光譜載荷1至2個數量級。

　　碳衛星在天上忙碌，還要有一套完善的地面應用系統與之配合。中國氣象局國家衛星氣象中心承擔此重點項目中“地面數據接收處理與二氧化碳反演驗證系統”的課題研究，目標是建立地面數據處理與二氧化碳反演驗證系統，形成對全球、中國及其他重點地區大氣二氧化碳濃度監測能力，使我國在大氣二氧化碳觀測方面達到國際先進水平。國家衛星氣象中心科技人員聯合中科院大氣所等國內優勢單位，依托風云三號地面應用系統工程，通過精心設計和適用性改造，建立了由風云三號佳木斯、烏魯木齊、瑞典基律納站組成碳星的接收站網，實現了對碳衛星全球數據的接收和處理。

　　盧乃錳表示，這并非易事。研究人員需攻克“二氧化碳高精度反演技術”等一系列難關，研究光譜和輻射高精度定標技術，開發高精度的數據預處理和產品生成系統，獲得相對誤差小于1%的全球二氧化碳濃度分布圖。

　　全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范項目具有廣泛的應用前景，待衛星發射入軌之后，碳衛星將開始長達3年的工作，利用白天的分分秒秒，每天記錄長達約10小時的數據，這將成為我國第一手的二氧化碳監測數據。

　　目前，正值巴黎協定正式生效，我國處于經濟發展轉型期，大氣環境保護、環境外交以及生存與發展的矛盾帶來的壓力十分巨大。這迫切需要發展衛星大氣溫室氣體業務監測能力，為全面理解和掌握氣候變化的事實和科學規律、加強應對氣候變化能力建設提供客觀科學依據。因此，可以說，碳衛星是一顆擔當之星。（經濟日報記者 杜 芳）