照片均由本報記者 杜 芳攝

　　12月22日3時22分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星（簡稱“碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。這是首顆中國籍碳衛(wèi)星，它將帶著為地球體檢的使命，從遙遠(yuǎn)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”�！暗厍蝮w檢師”為何要遠(yuǎn)赴太空看��？它的技術(shù)水平如何？其到達(dá)太空后將如何履行使命？《經(jīng)濟(jì)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(xiàn)種種天氣的怪現(xiàn)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(zāi)……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(dāng)于給地球又蓋了層“棉被”，導(dǎo)致過去100年全球平均氣溫上升了約0.7℃。

　　科學(xué)家對此非常擔(dān)心，如果照此態(tài)勢發(fā)展下去，人們眼前可以看到的是冰川融化，感知到的將是災(zāi)害性天氣頻發(fā)，強(qiáng)度增大，人類的生產(chǎn)生活將隨之改變。“研究人員對氣候變化進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，如果碳排放繼續(xù)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(chǎn)生不可逆的后果�！碧夹l(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家、國家衛(wèi)星氣象中心總工盧乃錳說。

　　應(yīng)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(guān)鍵因子，其中二氧化碳的作用最大。通過衛(wèi)星遙感手段實現(xiàn)對全球氣候變化敏感因子的連續(xù)觀測是評價和應(yīng)對氣候變化的有效途徑。

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

　　“探測二氧化碳分布不僅僅是科學(xué)問題，也涉及政治及環(huán)境外交問題。我國在應(yīng)對氣候變化的國際談判中是否能有話語權(quán)，必須清楚全球的碳收支情況。因此獨(dú)立自主發(fā)展自己的碳衛(wèi)星，實現(xiàn)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(wèi)星項目進(jìn)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(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”。經(jīng)過近6年的攻關(guān)研制，我國首顆碳衛(wèi)星TANSAT終于在2016年末發(fā)射成功，填補(bǔ)了我國碳衛(wèi)星的空白，而且儀器設(shè)計不僅不亞于美日的水平，還有自己的獨(dú)到之處。

　　“日本的碳衛(wèi)星每天的有效觀測點(diǎn)只有300多個，相當(dāng)于地球幾十萬平方公里范圍內(nèi)只有一個觀測點(diǎn)，而我國衛(wèi)星掃描寬度相對而言更寬，能達(dá)到20公里。此外，我國碳衛(wèi)星的有效采樣點(diǎn)比GOSAT高一個量級，相當(dāng)于它的10倍�！北R乃錳說。

　　除對二氧化碳觀測外，我國碳衛(wèi)星還可同時觀測氣溶膠�！岸�氧化碳和氣溶膠異常更多是人類活動的產(chǎn)物，加載云與氣溶膠探測儀，實現(xiàn)聯(lián)合觀測，不僅可以解決對二氧化碳監(jiān)測的‘噪音’干擾問題，提高反演精度，而且對于科學(xué)分析兩者之間的聯(lián)系非常有利�！北R乃錳說。在這一點(diǎn)上，美國碳衛(wèi)星沒有考慮，日本的則考慮不足。

　　衛(wèi)星發(fā)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(jié)、區(qū)域的變化，從而監(jiān)測各國家、地區(qū)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(jù)，為保護(hù)地球環(huán)境和應(yīng)對氣候變化作出積極貢獻(xiàn)。

　　跳著“華爾茲”巡天

　　相比發(fā)射衛(wèi)星從上往下監(jiān)測二氧化碳，其實通過地面系統(tǒng)從下往上看更容易操作。據(jù)不完全統(tǒng)計，在2010年左右，全球的二氧化碳地面觀測站點(diǎn)就有200多個，它們已經(jīng)對大氣中的二氧化碳等溫室氣體進(jìn)行觀測并且獲得了全球一些區(qū)域氣體濃度分布數(shù)據(jù)。既然全球有這么多觀測點(diǎn)可以采集大氣中二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，為什么還要發(fā)衛(wèi)星？衛(wèi)星在天上如何獲得精確的相關(guān)探測數(shù)據(jù)呢？

　　據(jù)中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院專家介紹，相比龐大的地球而言，地面監(jiān)測站數(shù)量有限，難以獲得全球的數(shù)據(jù)，全球碳收支的總賬還不清楚，所以需要一種全球范圍區(qū)域尺度二氧化碳的測量手段。全球碳衛(wèi)星發(fā)射后，不僅會明確各國碳收支的明細(xì)，還將有助于提高對全球碳循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識，從而改進(jìn)氣候變化預(yù)測結(jié)果的可信度和穩(wěn)定性。

　　衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師尹增山表示，當(dāng)今碳循環(huán)科學(xué)面臨的最大問題是，在洲際、區(qū)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(wèi)星進(jìn)行全球二氧化碳監(jiān)測已經(jīng)成為重要手段。

　　究竟衛(wèi)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(jù)盧乃錳介紹，碳衛(wèi)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(xiàn)的，二氧化碳探測儀從太空觀測地氣系統(tǒng)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(qiáng)度變化，從而推算出大氣中二氧化碳的濃度。

　　碳衛(wèi)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(shù)據(jù)。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(wèi)星在飛行過程中，“目光”始終駐留在特定目標(biāo)上，完成精細(xì)觀測和驗證任務(wù)。

　　盧乃錳告訴《經(jīng)濟(jì)日報》記者，由于太空環(huán)境惡劣，時間一長，元器件容易老化，衛(wèi)星定標(biāo)系統(tǒng)可能發(fā)生變化，監(jiān)測就不準(zhǔn)了，所以衛(wèi)星用一段時間，需要標(biāo)定一下。衛(wèi)星有兩種定標(biāo)模式，一種是以太陽為參照物，盯著太陽定標(biāo)，由于太陽的光譜非常穩(wěn)定，因此可以利用太陽光作為標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定儀器的觀測值；還有一種模式是看月亮，月亮光比較暗，衛(wèi)星飛到看不到太陽的時候，就掉個頭看月亮定標(biāo)。不斷定標(biāo)加上多種觀測模式交互進(jìn)行，碳衛(wèi)星就要不斷調(diào)整姿態(tài)，在巡天勘“碳”的過程中跳起“華爾茲”。

　　“很少有衛(wèi)星冒險在天上不停地‘翻跟頭’，一般都要求衛(wèi)星動作越少越好。為實現(xiàn)全球二氧化碳監(jiān)測，需要碳衛(wèi)星在天上翩翩起舞，對衛(wèi)星平臺設(shè)計是很大的挑戰(zhàn)�！北R乃錳說。為此，衛(wèi)星平臺研究人員攻克了“復(fù)雜姿態(tài)指向控制技術(shù)”難題，給衛(wèi)星配備了復(fù)雜姿態(tài)控制系統(tǒng)，使它可以在太空中實現(xiàn)天底觀測、耀斑觀測、目標(biāo)觀測、對日對月定標(biāo)等多種模式的觀測。

　　按時分區(qū)提交“體檢報告”

　　碳衛(wèi)星是我國民用衛(wèi)星里最敏捷的。它到達(dá)太空后，將每16天對地球進(jìn)行一次體檢，分辨率達(dá)到2×2公里，檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面。經(jīng)過2至3個月的數(shù)據(jù)累計，碳衛(wèi)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(jié)、不同地區(qū)排放情況的“體檢報告”。

　　這個報告將是一份高質(zhì)量的報告。碳項目要求，對大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測的精度優(yōu)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(fā)現(xiàn)。為此，碳載荷研究人員采用了大面積光柵分光技術(shù)，使得衛(wèi)星的光譜分辨率超過一般高光譜載荷1至2個數(shù)量級。

　　碳衛(wèi)星在天上忙碌，還要有一套完善的地面應(yīng)用系統(tǒng)與之配合。中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心承擔(dān)此重點(diǎn)項目中“地面數(shù)據(jù)接收處理與二氧化碳反演驗證系統(tǒng)”的課題研究，目標(biāo)是建立地面數(shù)據(jù)處理與二氧化碳反演驗證系統(tǒng)，形成對全球、中國及其他重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測能力，使我國在大氣二氧化碳觀測方面達(dá)到國際先進(jìn)水平。國家衛(wèi)星氣象中心科技人員聯(lián)合中科院大氣所等國內(nèi)優(yōu)勢單位，依托風(fēng)云三號地面應(yīng)用系統(tǒng)工程，通過精心設(shè)計和適用性改造，建立了由風(fēng)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(wǎng)，實現(xiàn)了對碳衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)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(shù)”等一系列難關(guān)，研究光譜和輻射高精度定標(biāo)技術(shù)，開發(fā)高精度的數(shù)據(jù)預(yù)處理和產(chǎn)品生成系統(tǒng)，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(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范項目具有廣泛的應(yīng)用前景，待衛(wèi)星發(fā)射入軌之后，碳衛(wèi)星將開始長達(dá)3年的工作，利用白天的分分秒秒，每天記錄長達(dá)約10小時的數(shù)據(jù)，這將成為我國第一手的二氧化碳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　目前，正值巴黎協(xié)定正式生效，我國處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型期，大氣環(huán)境保護(hù)、環(huán)境外交以及生存與發(fā)展的矛盾帶來的壓力十分巨大。這迫切需要發(fā)展衛(wèi)星大氣溫室氣體業(yè)務(wù)監(jiān)測能力，為全面理解和掌握氣候變化的事實和科學(xué)規(guī)律、加強(qiáng)應(yīng)對氣候變化能力建設(shè)提供客觀科學(xué)依據(jù)。因此，可以說，碳衛(wèi)星是一顆擔(dān)當(dāng)之星。（經(jīng)濟(jì)日報記者 杜 芳）