首顆中國(guó)碳衛(wèi)星成功發(fā)射 將為應(yīng)對(duì)氣候變化作出積極貢獻(xiàn)

照片均由本報(bào)記者 杜 芳攝

　　12月22日3時(shí)22分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。這是首顆中國(guó)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”。“地球體檢師”為何要遠(yuǎn)赴太空看病？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?qǐng)?bào)》記者帶您一探究竟。

　　為氣候變化“號(hào)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(shí)而旱況連連，時(shí)而又水澇成災(zāi)……從人類有限的對(duì)大氣二氧化碳的地面直接觀測(cè)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(duì)此非常擔(dān)心，如果照此態(tài)勢(shì)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(duì)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(gè)極限之后，屆時(shí)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(zhǎng)期存在，氣候變化將產(chǎn)生不可逆的后果。”碳衛(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心總工盧乃錳說。

　　應(yīng)對(duì)氣候變化是牽動(dòng)每個(gè)國(guó)家、每個(gè)生命的課題。觀測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)全球氣候變化敏感因子的連續(xù)觀測(cè)是評(píng)價(jià)和應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑。

　　因此，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛積極研發(fā)專用的高精度的溫室氣體觀測(cè)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(cè)衛(wèi)星（GOSAT），同年，美國(guó)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(cè)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(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)全球碳排放的觀測(cè)，非常重要。”盧乃錳說。

　　基于此，早在2009年，中國(guó)就開始緊鑼密鼓地對(duì)碳衛(wèi)星項(xiàng)目進(jìn)行論證；2011年，啟動(dòng)實(shí)施“863”計(jì)劃“十二五”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”。經(jīng)過近6年的攻關(guān)研制，我國(guó)首顆碳衛(wèi)星TANSAT終于在2016年末發(fā)射成功，填補(bǔ)了我國(guó)碳衛(wèi)星的空白，而且儀器設(shè)計(jì)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(cè)點(diǎn)只有300多個(gè)，相當(dāng)于地球幾十萬平方公里范圍內(nèi)只有一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，而我國(guó)衛(wèi)星掃描寬度相對(duì)而言更寬，能達(dá)到20公里。此外，我國(guó)碳衛(wèi)星的有效采樣點(diǎn)比GOSAT高一個(gè)量級(jí)，相當(dāng)于它的10倍。”盧乃錳說。

　　除對(duì)二氧化碳觀測(cè)外，我國(guó)碳衛(wèi)星還可同時(shí)觀測(cè)氣溶膠。“二氧化碳和氣溶膠異常更多是人類活動(dòng)的產(chǎn)物，加載云與氣溶膠探測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合觀測(cè)，不僅可以解決對(duì)二氧化碳監(jiān)測(cè)的‘噪音’干擾問題，提高反演精度，而且對(duì)于科學(xué)分析兩者之間的聯(lián)系非常有利。”盧乃錳說。在這一點(diǎn)上，美國(guó)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(guó)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(cè)各國(guó)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(duì)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(cè)二氧化碳，其實(shí)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(jì)，在2010年左右，全球的二氧化碳地面觀測(cè)站點(diǎn)就有200多個(gè)，它們已經(jīng)對(duì)大氣中的二氧化碳等溫室氣體進(jìn)行觀測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)呢？

　　據(jù)中國(guó)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(cè)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(cè)量手段。全球碳衛(wèi)星發(fā)射后，不僅會(huì)明確各國(guó)碳收支的明細(xì)，還將有助于提高對(duì)全球碳循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，從而改進(jìn)氣候變化預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度和穩(wěn)定性。

　　衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)已經(jīng)成為重要手段。

　　究竟衛(wèi)星在太空如何探測(cè)二氧化碳呢？其實(shí)，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(duì)二氧化碳的測(cè)量原理，是通過“二氧化碳對(duì)太陽光的吸收譜線”來實(shí)現(xiàn)的，二氧化碳探測(cè)儀從太空觀測(cè)地氣系統(tǒng)反射的太陽光，利用氣體分子的吸收特性，測(cè)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(cè)模式。一種是“斜著看”，即“耀斑觀測(cè)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(cè)模式”，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測(cè)。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(cè)和驗(yàn)證任務(wù)。

　　盧乃錳告訴《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者，由于太空環(huán)境惡劣，時(shí)間一長(zhǎng)，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(cè)就不準(zhǔn)了，所以衛(wèi)星用一段時(shí)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(cè)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(shí)候，就掉個(gè)頭看月亮定標(biāo)。不斷定標(biāo)加上多種觀測(cè)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(xiǎn)在天上不停地‘翻跟頭’，一般都要求衛(wèi)星動(dòng)作越少越好。為實(shí)現(xiàn)全球二氧化碳監(jiān)測(cè)，需要碳衛(wèi)星在天上翩翩起舞，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)是很大的挑戰(zhàn)。”盧乃錳說。為此，衛(wèi)星平臺(tái)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(shí)現(xiàn)天底觀測(cè)、耀斑觀測(cè)、目標(biāo)觀測(cè)、對(duì)日對(duì)月定標(biāo)等多種模式的觀測(cè)。

　　按時(shí)分區(qū)提交“體檢報(bào)告”

　　碳衛(wèi)星是我國(guó)民用衛(wèi)星里最敏捷的。它到達(dá)太空后，將每16天對(duì)地球進(jìn)行一次體檢，分辨率達(dá)到2×2公里，檢測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面。經(jīng)過2至3個(gè)月的數(shù)據(jù)累計(jì)，碳衛(wèi)星的觀測(cè)就可以完成對(duì)整個(gè)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(bào)告”。

　　這個(gè)報(bào)告將是一份高質(zhì)量的報(bào)告。碳項(xiàng)目要求，對(duì)大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。

　　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(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心承擔(dān)此重點(diǎn)項(xiàng)目中“地面數(shù)據(jù)接收處理與二氧化碳反演驗(yàn)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(yàn)證系統(tǒng)，形成對(duì)全球、中國(guó)及其他重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)能力，使我國(guó)在大氣二氧化碳觀測(cè)方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心科技人員聯(lián)合中科院大氣所等國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位，依托風(fēng)云三號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)工程，通過精心設(shè)計(jì)和適用性改造，建立了由風(fēng)云三號(hào)佳木斯、烏魯木齊、瑞典基律納站組成碳星的接收站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范項(xiàng)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(zhǎng)達(dá)3年的工作，利用白天的分分秒秒，每天記錄長(zhǎng)達(dá)約10小時(shí)的數(shù)據(jù)，這將成為我國(guó)第一手的二氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　　目前，正值巴黎協(xié)定正式生效，我國(guó)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(cè)能力，為全面理解和掌握氣候變化的事實(shí)和科學(xué)規(guī)律、加強(qiáng)應(yīng)對(duì)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?qǐng)?bào)記者 杜 芳）