“軌道碳觀測(cè)臺(tái)”（OCO）是NASA的地球系統(tǒng)科學(xué)探路計(jì)劃之一，用于從空間探測(cè)大氣中的二氧化碳。其實(shí)OCO并不是新項(xiàng)目，首顆衛(wèi)星在2009年發(fā)射時(shí)失敗。OCO-2計(jì)劃在7月發(fā)射，將對(duì)二氧化碳這種規(guī)模最大的人為溫室氣體進(jìn)行更精確的全球測(cè)量。

如果發(fā)射成功，OCO-2將在至少兩年的時(shí)間里，每16天繪制一幅全球大氣二氧化碳圖。它的精度、分辨率和覆蓋范圍使人們可以第一次制作一幅完整的地區(qū)級(jí)二氧化碳地理分布圖和季節(jié)變化圖，用于描述人類(lèi)活動(dòng)和自然界的二氧化碳排放以及沉降，增強(qiáng)人們對(duì)自然和人為二氧化碳產(chǎn)生源的理解，以及二氧化碳排放對(duì)海洋、陸地和大氣的影響。

大氣中的二氧化碳的濃度取決于其來(lái)源的平衡，也就是排放和沉降。大自然大致上維持著這種平衡，但人類(lèi)活動(dòng)破壞了它。

工業(yè)革命發(fā)生前的10000年中，二氧化碳濃度只上升了不到1%。但從1751年到2003年，二氧化碳濃度上升了37%。人類(lèi)活動(dòng)所排放的二氧化碳，已經(jīng)使大氣中的碳總量增加了4660億噸。使用化石燃料和生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的二氧化碳占了其中的三分之二。陸地開(kāi)發(fā)——主要是砍伐森林——占了其余部分。

目前，人類(lèi)每年要排放300億噸二氧化碳，而且越來(lái)越多。實(shí)際上，在過(guò)去17年里，二氧化碳的總量增加了百萬(wàn)分之三十，每年增加百萬(wàn)分之二。由于二氧化碳這種溫室氣體的濃度正在上升，導(dǎo)致全球變暖和氣候變化，科學(xué)家們希望能更好地理解大氣中的二氧化碳的調(diào)節(jié)過(guò)程。

在1751～2003年人類(lèi)活動(dòng)排放的碳中，只有40%還存留在大氣中，其余60%被海洋和陸地吸收了。最近的統(tǒng)計(jì)表明，這些消失的碳有一半被海洋吸收了。其余的應(yīng)該被吸收到了陸地的某處。不過(guò)科學(xué)家們并不知道陸地的哪些部分吸收的碳最多，它們的吸收過(guò)程是被什么因素控制的。

軌道碳觀測(cè)臺(tái)

增進(jìn)對(duì)碳沉降的了解有助于預(yù)測(cè)未來(lái)二氧化碳增加，有助于更精確地預(yù)測(cè)二氧化碳對(duì)地球氣候的影響。

科學(xué)家們?cè)谌蚪⒘?00個(gè)站點(diǎn)來(lái)檢測(cè)二氧化碳濃度。但這些站點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)地理空間全覆蓋，分辨率和采樣頻率也不足以確認(rèn)自然沉降的具體作用。

OCO所測(cè)量到的數(shù)據(jù)可以和地面測(cè)量、航空測(cè)量、其他衛(wèi)星測(cè)量相結(jié)合，回答一些重要的問(wèn)題，涉及大氣中二氧化碳的調(diào)節(jié)過(guò)程，及其在碳循環(huán)和氣候變化中的作用。這些信息可以幫助政治領(lǐng)導(dǎo)人和商界領(lǐng)袖更好地做出決策，以保持氣候穩(wěn)定、保持生活品質(zhì)。OCO也將為未來(lái)的長(zhǎng)期運(yùn)行二氧化碳觀測(cè)衛(wèi)星探索道路。OCO是史上第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于研究大氣中二氧化碳的科學(xué)衛(wèi)星。所獲取的數(shù)據(jù)將提供給大氣及碳循環(huán)研究界，用于完善全球碳循環(huán)模型，提高對(duì)大氣中二氧化碳總量的預(yù)測(cè)精度，提高全球氣候變化預(yù)測(cè)的精度。

OCO將從時(shí)間和空間上大幅度改善人們對(duì)二氧化碳的觀測(cè)，對(duì)陸地和海洋進(jìn)行統(tǒng)一采樣。科學(xué)家們希望OCO能回答以下問(wèn)題：

人類(lèi)排放的二氧化碳是如何被大自然吸收的？

這一機(jī)理會(huì)使大氣中的二氧化碳繼續(xù)增加？還是加快二氧化碳的增加？還是會(huì)減慢甚至逆轉(zhuǎn)？

陸地和海洋，哪個(gè)吸收二氧化碳更多？各自吸收了多少？哪片大陸吸收得最多？

為什么有時(shí)候同樣的排放量在不同的年份會(huì)導(dǎo)致二氧化碳的增加量不同?

二氧化碳的沉降會(huì)因?yàn)闅夂蚧蛲恋乩玫淖兓兓瘑?

二氧化碳在大氣中的增加率取決于什么?

二氧化碳的來(lái)源是什么?包括化石燃料燃燒和其他未能充分理解之二氧化碳來(lái)源的地理分布和數(shù)量是什么？例如海洋排氣、森林退化、火災(zāi)和生物質(zhì)燃燒？這些來(lái)源的分布是如何隨時(shí)間變化的？

OCO-2由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主管，計(jì)劃在范登堡空軍基地用“米諾陶”XL火箭發(fā)射，運(yùn)行在705千米高的近極軌道上，軌道周期為98.8分。

OCO攜帶了3臺(tái)彼此平行的高分辨率近紅外頻譜儀，安裝在一個(gè)通用結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)同一個(gè)通用鏡頭工作。3臺(tái)頻譜儀對(duì)地表同一個(gè)位置受陽(yáng)光照射位置的二氧化碳和分子氧吸收進(jìn)行同步測(cè)量。

當(dāng)陽(yáng)光照射在地球大氣上，大氣中不同的氣體分子會(huì)吸收掉特定頻段的光線(xiàn)。3臺(tái)頻譜儀用來(lái)測(cè)量特定頻段的光吸收。某個(gè)頻段上吸收掉的光線(xiàn)越多，就說(shuō)明這種分子的數(shù)量越多。OCO的頻譜儀精度非常高，可以精確計(jì)算出觀測(cè)方向上的各種分子數(shù)量。也就是說(shuō)，在它的觀測(cè)方向上，從大氣頂部直到地表的路徑上，有多少二氧化碳分子、有多少氧分子，都可以被清楚地計(jì)算出來(lái)。

頻譜儀每秒鐘測(cè)量三次，這樣，當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)不同位置的大氣上空，就可以把星下的二氧化碳含量用圖像方式表達(dá)出來(lái)。圖像發(fā)回地面后，可以把二氧化碳濃度以4種不同的印記復(fù)現(xiàn)。通過(guò)全球運(yùn)動(dòng)模型，可以分析出二氧化碳的來(lái)源和沉降。

軌道碳觀測(cè)臺(tái)概念圖

鏡頭裝在衛(wèi)星的側(cè)面，從地球大氣反射而來(lái)的陽(yáng)光聚焦到焦平面陣上，然后進(jìn)入光學(xué)轉(zhuǎn)換組件，保證3臺(tái)頻譜儀能看到同一幅圖像。然后用分光計(jì)把光線(xiàn)分成特定的頻段，重新匯聚成波束，進(jìn)入頻譜儀的狹縫入口。

進(jìn)入頻譜儀狹縫后，光線(xiàn)被衍射柵格分成彩色分量，然后通過(guò)相機(jī)鏡頭重新聚焦到焦平面陣上。在這里，不同的頻段就可以清晰地分辨開(kāi)來(lái)，形成兩維的頻段圖并記錄下來(lái)。

OCO通過(guò)兩個(gè)頻段分析二氧化碳的吸收。第一個(gè)頻段的吸收比較微弱，但對(duì)接近地表部分的二氧化碳濃度變化最為敏感；第二個(gè)頻段吸收較強(qiáng)，可以用來(lái)對(duì)大氣中的二氧化碳做完全獨(dú)立的測(cè)量。第二個(gè)頻段可以揭示光線(xiàn)被吸收的圖景，可以檢出云、氣溶膠和氣壓、濕度的變化，這些都會(huì)干擾對(duì)二氧化碳的精確測(cè)量。

2009年，第一顆軌道碳觀測(cè)臺(tái)衛(wèi)星發(fā)射失敗

其實(shí)OCO還有第三個(gè)觀測(cè)頻段，位于氧分子的頻段內(nèi)。這是用來(lái)測(cè)量光線(xiàn)傳播路徑上有多少氧分子。氧氣的濃度是恒定、一致的，在大氣中均勻分布。測(cè)得氧分子數(shù)量，就可以用來(lái)與二氧化碳分子數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，以精確地測(cè)出二氧化碳濃度。氧分子數(shù)量還可以用來(lái)測(cè)算云、氣溶膠和地表氣壓的影響。

OCO每秒進(jìn)行12次探測(cè)。每圈軌道就可以進(jìn)行22500～35500次探測(cè)。每次探測(cè)的地面覆蓋面積大概是3平方千米。在16天的重訪周期內(nèi)可以實(shí)施800萬(wàn)次探測(cè)，OCO主要有3種工作模式：星下點(diǎn)式、反射式和目標(biāo)跟蹤式。

在星下點(diǎn)模式下，衛(wèi)星垂直觀測(cè)地面。這種模式可以獲得最高的空間分辨率，在有云或地形較為復(fù)雜的區(qū)域可以獲得更多有用的數(shù)據(jù)。但對(duì)黑暗的海面或積雪區(qū)域并不適用。

反射模式下，衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)地球表面上陽(yáng)光反射最強(qiáng)烈的地區(qū)。反射模式的信號(hào)100倍于星下點(diǎn)模式，能改善對(duì)黑暗海面的觀測(cè)。

目標(biāo)跟蹤模式主要用來(lái)同地面校準(zhǔn)站校準(zhǔn)，飛越指定地點(diǎn)上空時(shí)持續(xù)觀測(cè)這里。

OCO將交替使用星下點(diǎn)模式和反射模式，每個(gè)軌道周期使用一種。這樣它就能用一個(gè)月時(shí)間獲得每種模式下的全球圖像。而每天都可以實(shí)施一次目標(biāo)跟蹤模式觀測(cè)來(lái)校正數(shù)據(jù)。