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        從“軌道碳觀測者”到“熒光制圖衛(wèi)星”

        2014-11-29 10:01:56趙斌
        太空探索 2014年8期
        關(guān)鍵詞:大氣測量

        □ 趙斌

        當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年7月2日凌晨,在美國加州范德堡空軍基地,美國“軌道碳觀測者”(OCO-2)由“德爾它”2火箭成功發(fā)射,進(jìn)入高705千米、傾角98.2度的太陽同步軌道。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量407千克,工作壽命設(shè)計(jì)為2年。

        盡管人們對全球變化的機(jī)理還存在諸多分歧,但以碳為基礎(chǔ)的溫室氣體對全球氣候變化的重要影響已達(dá)成共識(shí)。在過去50多年里大氣中二氧化碳增加了近20%——這是人類歷史上最引人注目的變化。根據(jù)全球碳項(xiàng)目(GCP)的研究,大氣中二氧化碳總量一直在穩(wěn)步攀升,因此碳循環(huán)研究也就成了全球氣候變化研究的重要議題。例如,1992年簽署了旨在將大氣二氧化碳濃度穩(wěn)定在某一水平上以防止人類活動(dòng)嚴(yán)重干擾氣候系統(tǒng)的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》,1997年的《京都議定書》為發(fā)達(dá)國家規(guī)定了溫室氣體減排指標(biāo),2008年召開的G8峰會(huì)將“低碳”這一議題推上了前臺(tái),2009年哥本哈根氣候峰會(huì)和2010年的坎昆氣候變化大會(huì)的召開,更顯示出全球?qū)厥覛怏w排放導(dǎo)致全球氣候變化的普遍認(rèn)同。中國作為一個(gè)人口大國和能源消耗大國,在這兩次峰會(huì)上無奈地被推到了風(fēng)口浪尖上。為了達(dá)到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標(biāo)(可測量、可報(bào)告、可核查)和相應(yīng)的計(jì)量方法,各國政府都迫切希望相關(guān)的科學(xué)家們能拿出切實(shí)可行的測量方法和技術(shù),獲得足夠長時(shí)間的真實(shí)可信的數(shù)據(jù),在重大問題上保護(hù)國家的利益不受侵害。

        2008年以前,全球的溫室氣體觀測站只有282個(gè),且地區(qū)分布不均,全球的二氧化碳排放估算主要依靠陸基觀測網(wǎng)。為解決全球數(shù)據(jù)來源的問題,發(fā)展衛(wèi)星遙感觀測二氧化碳似乎勢在必行。聯(lián)合國氣候峰會(huì)鬧得最不可開交一年應(yīng)該就是2009年了,那一年,日本和美國相繼發(fā)射了旨在進(jìn)行全球溫室氣體觀測的衛(wèi)星。1月23日,日本“呼吸”號(hào)溫室氣體觀測衛(wèi)星(GOSAT)在鹿兒島發(fā)射升空;2月24日,美國“軌道碳觀測者”(OCO)發(fā)射升空數(shù)分鐘后,由于“金牛座”XL運(yùn)載火箭的整流罩未成功分離,無法到達(dá)預(yù)定的軌道,最后墜入太平洋??梢哉f,這次發(fā)射失敗,對氣候?qū)W家來說,損失巨大,本來他們指望用這顆衛(wèi)星來彌補(bǔ)地面上參差不齊的二氧化碳測量數(shù)據(jù)的。OCO的設(shè)計(jì)是用與二氧化碳相關(guān)的吸收曲線監(jiān)測窄幅度大氣中二氧化碳的濃度變化,生成全球碳源的分布圖。顯然,OCO可以幫助監(jiān)督一些國家是否遵守減排要求,在履行國際氣候條約中有非常重要的作用。

        衛(wèi)星進(jìn)入火箭整流罩

        也許是這種監(jiān)測在國際政治上的獨(dú)特意義,再次發(fā)射OCO的替代產(chǎn)品幾乎讓所有研究人員都覺得理所當(dāng)然,大家都希望在不久的將來“復(fù)制”一顆新的衛(wèi)星重新發(fā)射。當(dāng)年12月,美國國會(huì)會(huì)議委員會(huì)敦促航宇局在2010財(cái)年為替換項(xiàng)目撥出啟動(dòng)資金。2010年,噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)總承包“軌道碳觀測者2號(hào)”(OCO-2)項(xiàng)目,衛(wèi)星采用軌道科學(xué)公司的“低軌星”2平臺(tái),最初的設(shè)計(jì)的確與OCO相比沒有什么太大變化。2011年,由于“金牛座”XL火箭再次發(fā)射失敗。美國航宇局倍受打擊,于是決定將OCO-2改用“德爾它”2火箭來發(fā)射。后來,又發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星本身的一些問題,只好進(jìn)行重新設(shè)計(jì),延遲發(fā)射。項(xiàng)目總費(fèi)用高達(dá)4.68億美元。

        科技人員進(jìn)行最后的檢查

        火箭二級(jí)組裝

        與此同時(shí),也就是在延遲發(fā)射中,有了一些意想不到的發(fā)現(xiàn),完全改變了OCO原先的設(shè)計(jì)思路。

        雖然日本“呼吸”號(hào)衛(wèi)星不能與OCO一樣制作出詳細(xì)的全球二氧化碳分布圖,但是它有類似的光譜分辨率。研究人員在處理了“呼吸”號(hào)衛(wèi)星的一些數(shù)據(jù)后,意識(shí)到要在云和氣溶膠的干擾下測量二氧化碳,必須確定并去掉一些熒光信號(hào)。另外,在某些場合下看似噪音的東西也可能是另一種信號(hào),這催生了一種新的技術(shù)——葉綠素?zé)晒鉁y量科學(xué)時(shí)代到來了。

        專家們發(fā)現(xiàn),通常測定光合作用的參數(shù)(如綠度和葉面積)似乎是有問題的——因?yàn)?,常綠林全年都是綠色的,即使冬天它只吸收很少的碳,綠色也沒有太大變化;相比之下,植物只有在進(jìn)行光合作用時(shí)才會(huì)發(fā)出熒光,所以這種發(fā)光直接反映了植物吸收二氧化碳的量。在今年3月份發(fā)表于PNAS上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),美國玉米種植帶的熒光峰值比世界上其他地方都要亮,而以前的氣候模型可能低估該地區(qū)50%~75%的碳吸收量。

        熒光測量也幫助解決了一個(gè)長期存在的爭論,那就是亞馬遜雨林如何應(yīng)對干旱。因?yàn)轭A(yù)計(jì)隨著全球逐漸變暖,干旱發(fā)生頻率可能更高。一些科學(xué)家認(rèn)為,亞馬遜致密樹冠的光合作用不僅受到水而且還有光的限制,因此在干旱期增加光照會(huì)導(dǎo)致“綠化”(greening up)。

        另一篇2013年基于“呼吸”號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)表在《英國皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B》上的論文顯示,在旱季,亞馬遜的一些地區(qū)熒光和光合作用都下降了,而另一個(gè)指示產(chǎn)量的參數(shù)葉面積指數(shù)卻達(dá)到了峰值。也就是說,葉綠素?zé)晒庵茍D變得更加重要,有科學(xué)家認(rèn)為,這是衛(wèi)星最具創(chuàng)新性和革命性的觀測任務(wù)。

        其實(shí),植物生理學(xué)家早在幾十年前就已知道葉綠素?zé)晒庑裕喝~綠素溶液在透射光下呈綠色,而在反射光下呈紅色,這種現(xiàn)象稱為葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象,葉綠素?zé)晒庖脖环Q為光合作用的探針。然而,要從太空進(jìn)行熒光制圖還是困難重重,因?yàn)檫@微弱的信號(hào)要穿過地球環(huán)繞的濃密大氣層。現(xiàn)在,科學(xué)家們已經(jīng)可以對所獲得的最清晰葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行深入研究了,可用于計(jì)算全球植被是如何吸收二氧化碳的。如果結(jié)合GOSAT和OCO-2制圖可獲得一個(gè)特定地區(qū)的二氧化碳凈交換。有了熒光信號(hào),研究人員可以進(jìn)行更深入探討,利用兩個(gè)組分得到生態(tài)系統(tǒng)對碳的凈交換:通過光合作用吸收的碳和通過呼吸作用損失的碳,而且他們可以觀察這些因素在不同氣候條件下隨時(shí)間的變化情況。通過精確制圖,可以糾正全球碳收支計(jì)算中因數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性,這樣提供了一種新的工具來評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化干熱脅迫下的表現(xiàn)?,F(xiàn)在看來,在OCO失敗后一個(gè)漫長的等待,讓衛(wèi)星具備了嶄新的能力,是值得的!

        熒光測量的應(yīng)用可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出氣候科學(xué)研究本身。熒光制圖還可以評(píng)估錯(cuò)落有致的田地中不同作物的生產(chǎn)力,可能對全球作物產(chǎn)量進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì),以及它們?nèi)绾螒?yīng)對干旱和熱浪,這對了解生態(tài)系統(tǒng)如何適應(yīng)氣候變化來說是非常有價(jià)值的信息。在不斷變化的氣候中,我們是否在正確的地方種植了正確的作物?未來,歐洲空間局的熒光探索者項(xiàng)目(FLEX)將開發(fā)300米分辨率的傳感器,耗資1億歐元的FLEX項(xiàng)目是2015年歐洲空間局兩份備選發(fā)射任務(wù)之一。

        新聞速遞

        OCO-2加入“午后”星座

        藝術(shù)家筆下OCO-2透過陽光反射的二氧化碳探測模型(紅色代表氧原子,灰色代表碳原子)

        OCO-2將加入號(hào)稱軌道列車(A-Train)的“午后”星座,與其他5顆觀測地球大氣層的衛(wèi)星組成編隊(duì),形成良好的互為佐證、優(yōu)勢互補(bǔ)的工作平臺(tái)。

        因?yàn)檫@些衛(wèi)星都是采用太陽同步軌道,每天下午過境,所以稱為“午后”星座。 “午后”星族衛(wèi)星在同一軌道像列車一樣運(yùn)行,相隔數(shù)分鐘不等,相繼飛過。前5顆衛(wèi)星總共攜帶了多于15種科學(xué)儀器,分別觀測地球大氣中的輻射、云、氣溶膠、降水和碳等。OCO-2的加盟,有利于整個(gè)星座的衛(wèi)星數(shù)據(jù)互相佐證。

        OCO-2觀測器將對地球陸地和水體上的大氣進(jìn)行均勻采樣,每天對陽光照射的半球收集超過10萬個(gè)精確的重點(diǎn)取樣。科學(xué)家們在計(jì)算機(jī)上將利用這些數(shù)據(jù)生成地表二氧化碳釋放和吸收圖。這些區(qū)域尺度的地圖將為定位和識(shí)別二氧化碳源和匯提供新的工具。OCO-2也將測量太陽誘導(dǎo)的熒光現(xiàn)象,這是一個(gè)植物生長與健康的度量指標(biāo)。在植物進(jìn)行光合作用時(shí),它們吸收二氧化碳并發(fā)出熒光,這個(gè)光非常非常微弱,一般肉眼是看不見的。因?yàn)楣夂献饔迷蕉?,轉(zhuǎn)化的熒光也就越多,來自O(shè)CO-2的熒光數(shù)據(jù)將有助于對植物吸收二氧化碳進(jìn)行新的闡述。

        OCO-2通過觀測二氧化碳對太陽光的影響來測定二氧化碳含量。當(dāng)光線穿過大氣層,二氧化碳和其他一些氣體分子會(huì)吸收光譜中特定頻率的光,光譜中呈現(xiàn)出一些狹窄的縫隙。如圖,如果光穿越空氣柱的時(shí)候被吸收得越多,說明那種氣體的濃度越高。在某些情況下,這可能表明空氣下面的地球表面包含一個(gè)二氧化碳源,比如一個(gè)大的工業(yè)城市。更少的二氧化碳意味著是一個(gè)碳匯,會(huì)吸收二氧化碳,比如生長季節(jié)的茂密森林。

        OCO-2探測器攜帶一個(gè)由三種光譜儀組成的儀器,測量不同區(qū)域的光譜。其中一個(gè)光譜儀觀測氧分子的光譜,稱為A-波段光譜。因?yàn)檠醴肿邮谴髿庵邢鄬Ψ€(wěn)定的成分,可用于測量大氣中其他氣體如二氧化碳的參考。除了校準(zhǔn)二氧化碳濃度這個(gè)關(guān)鍵任務(wù),還告訴科學(xué)家們有多少陽光被氣溶膠和云吸收或反射了。

        通常在陽光到達(dá)地面之前,大氣層中的云和氣溶膠就會(huì)反射掉一些陽光,這不僅縮短了陽光的路徑并會(huì)與地表反射的光混淆起來。通過和“午后”星座中的“云霧激光雷達(dá)和紅外線引導(dǎo)衛(wèi)星觀測”衛(wèi)星(CALIPSO)和“探云”衛(wèi)星(CloudSat)有關(guān)云和氣溶膠的高度數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證,正好可以彌補(bǔ)這一缺陷。星座中研究水循環(huán)的“水”衛(wèi)星( Aqua)也可跟蹤云層,測量空氣的溫度和大氣中水分總量。有了這些細(xì)節(jié),OCO-2將對地球表面附近的大氣二氧化碳濃度進(jìn)行極其精確的測量,可以預(yù)計(jì),OCO-2將會(huì)使全球研究二氧化碳和全球碳循環(huán)進(jìn)入新的高度,并為制定如何適應(yīng)和減少未來氣候變化的政策奠定基礎(chǔ)。

        觀測地球大氣層的“午后”星座系列(因?yàn)檫@些衛(wèi)星都是采用太陽同步軌道,每天下午過境,所以稱為“午后”星座)

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