李妹妍

“目前衛(wèi)星已準(zhǔn)確進(jìn)入距離地面700公里外的預(yù)定軌道，將進(jìn)行6個(gè)月的在軌測(cè)試?！碧夹l(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心副主任張鵬接受采訪時(shí)表示，在未來3年中，這顆620公斤重的碳衛(wèi)星將每16天對(duì)地球進(jìn)行一次全面的二氧化碳排放情況“體檢”，“這將成為我國(guó)第一手的二氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”。

◇太空怎么“探”？

高分辨率探測(cè)儀能測(cè)1%濃度變化

“碳衛(wèi)星通過5種觀測(cè)模式的組合，完成對(duì)全球二氧化碳的探測(cè)，衛(wèi)星裝載的高光譜二氧化碳探測(cè)儀有2000多個(gè)通道，光譜解析度極高?！碧夹l(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心總工程師盧乃錳告訴記者，碳衛(wèi)星主要由模塊化衛(wèi)星平臺(tái)、高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀與多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀組成，我國(guó)以前還沒有這么復(fù)雜觀測(cè)模式的民用衛(wèi)星。

據(jù)介紹，與以往的氣象衛(wèi)星不同，碳衛(wèi)星是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測(cè)二氧化碳濃度?！按髿庠谔?yáng)光照射下，二氧化碳分子會(huì)對(duì)許多精細(xì)的顏色有不同程度吸收，通過碳衛(wèi)星對(duì)二氧化碳光譜吸收線進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，可以反向推算出二氧化碳分子數(shù)量，從而得知大氣中的二氧化碳濃度。”

在大氣中，二氧化碳的濃度只有萬分之四左右，而按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對(duì)大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測(cè)的精度優(yōu)于4ppm （百萬分比濃度）。這也意味著，碳載荷必須能發(fā)現(xiàn)大氣中二氧化碳1%的濃度變化。

“要達(dá)到這么精細(xì)的分辨率，必須要有大面積光柵。”碳衛(wèi)星二氧化碳探測(cè)儀負(fù)責(zé)人、中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員鄭玉權(quán)告訴記者，在幾十納米的帶寬上，用人眼看只有一個(gè)顏色，二氧化碳探測(cè)儀采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06微米、1.6微米、0.76微米三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04納米，如此高的分辨率在國(guó)內(nèi)光譜儀器的研制中尚屬首次。

原子級(jí)別的超凡“視力”背后，是反復(fù)的技術(shù)攻關(guān)和大量的空間可靠性試驗(yàn)。鄭玉權(quán)介紹稱，六年間，碳載荷研究人員從“無”到“有”，從最基礎(chǔ)的制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)攻克技術(shù)難關(guān)，最終才在碳化硅基底上制造出高精度衍射光柵。

而為滿足碳衛(wèi)星在5種觀測(cè)模式和十余種指向模式間自如切換的要求，衛(wèi)星平臺(tái)研究人員攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，為衛(wèi)星配備了復(fù)雜姿態(tài)指向控制系統(tǒng)，使它可以在太空中實(shí)現(xiàn)頻繁大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)，跳出“太空華爾茲”。

◇地面如何“測(cè)”？

數(shù)據(jù)要經(jīng)全新高精度反演處理

“碳衛(wèi)星在繞地飛行的時(shí)候，把東西向20公里范圍內(nèi)的信息收集起來，然后把帶有太陽(yáng)光反射或散射情況的信息傳回地面接收站?！睆堸i稱，碳衛(wèi)星采集到原始數(shù)據(jù)后，地面應(yīng)用系統(tǒng)將對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并進(jìn)行遙感資料的預(yù)處理。

他告訴記者，依托風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，通過精心設(shè)計(jì)和適用性改造，碳衛(wèi)星觀測(cè)的全球原始數(shù)據(jù)經(jīng)由風(fēng)云三號(hào)的瑞典基律納站和國(guó)內(nèi)的佳木斯、烏魯木齊地面接收站，被傳送匯集至中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心。

“在這里，研究人員將數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)處理，產(chǎn)生高精度的高光譜分辨率輻射信號(hào)。”張鵬稱，但是，這些數(shù)據(jù)并不是直接可用的二氧化碳濃度分布，需要經(jīng)過大氣物理學(xué)家進(jìn)行高精度的全球二氧化碳分布反演計(jì)算，才能最終成為全球二氧化碳觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并共享發(fā)布，反演是整個(gè)處理過程的核心。

什么是反演？碳衛(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家盧乃錳向記者解釋道，通俗來講，太陽(yáng)的光譜是確定的，如果已知二氧化碳濃度等大氣狀況，根據(jù)模型，計(jì)算出衛(wèi)星應(yīng)該觀測(cè)到的光譜，是正演，而根據(jù)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)，由模型反算出二氧化碳濃度，就是反演。“以往氣象衛(wèi)星所涉及的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛(wèi)星所涉及的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機(jī)理不同。”

“二氧化碳反演受到云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素影響，反演算法非常復(fù)雜。”盧乃錳表示，地面應(yīng)用系統(tǒng)科研人員集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合攻關(guān)，成功攻克全球數(shù)據(jù)快速接收、高精度定標(biāo)和二氧化碳反演、科學(xué)驗(yàn)證等20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在在軌定標(biāo)、高精度輻射傳輸正演模型等方面取得重要突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。

◇未來怎么“用”？

與美日碳衛(wèi)星形成互補(bǔ)關(guān)系

“碳衛(wèi)星發(fā)射3～6個(gè)月后，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心將聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院的儀器研制單位完成對(duì)碳衛(wèi)星各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)的在軌測(cè)試和評(píng)價(jià)，隨后有望發(fā)布第一批全球二氧化碳數(shù)據(jù)。”張鵬介紹說，二氧化碳濃度數(shù)據(jù)將對(duì)全球的用戶公開，成為全球二氧化碳監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

據(jù)了解，在經(jīng)過半年的在軌測(cè)試后，碳衛(wèi)星將正式投入運(yùn)行，每日記錄長(zhǎng)約10小時(shí)的數(shù)據(jù)，16天完成一個(gè)回歸周期，每?jī)傻饺齻€(gè)月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛(wèi)星獲取的信息經(jīng)過地面應(yīng)用系統(tǒng)解析和處理，最終形成不同季節(jié)、不同地區(qū)的碳排放情況報(bào)告。

按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)，我國(guó)的碳衛(wèi)星大氣二氧化碳反演精度可達(dá)到1—4ppm，比日本GOSAT衛(wèi)星監(jiān)測(cè)精度高，與美國(guó)OCO-2衛(wèi)星相當(dāng)。國(guó)家衛(wèi)星中心研究員張興贏告訴記者，美國(guó)OCO-2衛(wèi)星只有一個(gè)觀測(cè)二氧化碳的儀器，無法同時(shí)獲取云和大氣中氣溶膠的信息，而這些信息是衛(wèi)星探測(cè)二氧化碳非常重要的輔助觀測(cè)信息?！爸袊?guó)碳衛(wèi)星的空間分辨率將超過美日衛(wèi)星，達(dá)到1～2公里，也就是說兩個(gè)相鄰較大的小區(qū)排放二氧化碳的差別都將可能被分辨出來?！?/p>

事實(shí)上，碳衛(wèi)星還被抱有更大期待：二氧化碳的流動(dòng)情況是什么樣子的？它從哪里排放出來？又在哪里被植被、海洋等吸收？“有了這些信息后，我們才可以清晰地掌握碳排放的機(jī)理和變化?！睆埮d贏稱，這樣一來，可以有的放矢地制定減排政策措施，還可以獲得更多的科學(xué)結(jié)論來應(yīng)對(duì)全球氣候變化。

“數(shù)據(jù)獲取周期過長(zhǎng)是目前碳衛(wèi)星所面臨的一大困境?！睆堸i坦率地說，目前，獲得一張覆蓋全球二氧化碳監(jiān)測(cè)圖，需要碳衛(wèi)星在太空跑2～3個(gè)月，導(dǎo)致這一狀況的根本原因，就是碳衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

監(jiān)測(cè)全球二氧化碳，一兩顆衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我國(guó)發(fā)射碳衛(wèi)星實(shí)際上與美日的碳衛(wèi)星形成了相互補(bǔ)充的關(guān)系?！半S著碳衛(wèi)星數(shù)目的增加，10天平均甚至更短周期的數(shù)據(jù)都有可能實(shí)現(xiàn)?！痹趶堸i看來，描述CO2的變化，需要更多衛(wèi)星累積基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！坝辛藬?shù)據(jù)，才可能為全球氣候變化的研究、全球溫室氣體減排政策的制定提供依據(jù)，為保護(hù)地球環(huán)境做出積極貢獻(xiàn)。”

◇意義在哪里？

提升碳交易談判等方面主動(dòng)權(quán)

在中國(guó)之前，只有美國(guó)和日本發(fā)射了自己的碳衛(wèi)星。

“我們很難獲得第一手觀測(cè)資料?！睆堸i說，更為現(xiàn)實(shí)和迫切的需求是，在碳排放數(shù)據(jù)上知己知彼，對(duì)提升我國(guó)在全球氣候談判、未來碳交易等方面的主動(dòng)權(quán)具有重要意義。

正是基于上述認(rèn)識(shí)，中國(guó)2010年開始對(duì)碳衛(wèi)星項(xiàng)目進(jìn)行論證，并于2011年啟動(dòng)實(shí)施“十二五”863計(jì)劃重大項(xiàng)目“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”。

“大家對(duì)發(fā)射碳衛(wèi)星這件事已達(dá)成共識(shí)，問題是我們能否做得了和怎么做。”盧乃錳介紹稱，對(duì)全球大氣中二氧化碳濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，這對(duì)中國(guó)而言，是一種全新的挑戰(zhàn)。“我們剛開始也是兩眼一抹黑，心里完全沒有底?！?/p>

“碳衛(wèi)星需要高光譜分辨率、高靈敏度的先進(jìn)遙感儀器，其對(duì)核心技術(shù)攻關(guān)和工程化研制的要求都非常高?！闭f起研制過程，鄭玉權(quán)感慨頗多。項(xiàng)目之初，載荷團(tuán)隊(duì)一面要加緊攻破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行原理驗(yàn)證，一面要進(jìn)行載荷工程化研制，兩線并行，壓力巨大?！耙共粴w宿是研制過程中的經(jīng)常狀態(tài)，沒有比實(shí)驗(yàn)室的一張小床更溫暖的窩了。”

自2011年啟動(dòng)開始，從總體方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)開始，到最后完成整星研制、具備發(fā)射狀態(tài)，歷經(jīng)近6年的時(shí)間?！拔覀?cè)诜磸?fù)權(quán)衡功能、精度和工藝水平后，確定了合適的配置方案?！弊尡R乃錳高興的是，中國(guó)的碳衛(wèi)星不僅實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，還極大地帶動(dòng)了我國(guó)多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的突破，填補(bǔ)了技術(shù)空白。

（本文轉(zhuǎn)自金羊網(wǎng)）