照片均由本報記者 杜 芳攝

　　12月22日3時(shí)22分，酒泉衛星發(fā)射中心，全球二氧化碳監測科學(xué)試驗衛星（簡(jiǎn)稱(chēng)“碳衛星”）發(fā)射升空。這是首顆中國籍碳衛星，它將帶著(zhù)為地球體檢的使命，從遙遠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”為何要遠赴太空看��？它的技術(shù)水平如何？其到達太空后將如何履行使命？《經(jīng)濟日報》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種種天氣的怪現狀，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……從人類(lèi)有限的對大氣二氧化碳的地面直接觀(guān)測史來(lái)看，150年來(lái)，大氣中的二氧化碳濃度已從280ppm上升到400ppm，這相當于給地球又蓋了層“棉被”，導致過(guò)去100年全球平均氣溫上升了約0.7℃。

　　科學(xué)家對此非常擔心，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，感知到的將是災害性天氣頻發(fā)，強度增大，人類(lèi)的生產(chǎn)生活將隨之改變�！把芯咳藛T對氣候變化進(jìn)行模擬發(fā)現，如果碳排放繼續上升超過(guò)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(cháng)期存在，氣候變化將產(chǎn)生不可逆的后果�！碧夹l星首席應用科學(xué)家、國家衛星氣象中心總工盧乃錳說(shuō)。

　　應對氣候變化是牽動(dòng)每個(gè)國家、每個(gè)生命的課題。觀(guān)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(guò)衛星遙感手段實(shí)現對全球氣候變化敏感因子的連續觀(guān)測是評價(jià)和應對氣候變化的有效途徑。

　　因此，發(fā)達國家紛紛積極研發(fā)專(zhuān)用的高精度的溫室氣體觀(guān)測衛星，由于技術(shù)難度大，目前僅有兩顆衛星巡天勘“碳”：2009年，日本發(fā)射了世界首顆溫室氣體觀(guān)測衛星（GOSAT），同年，美國的碳衛星（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(wèn)題，也涉及政治及環(huán)境外交問(wèn)題。我國在應對氣候變化的國際談判中是否能有話(huà)語(yǔ)權，必須清楚全球的碳收支情況。因此獨立自主發(fā)展自己的碳衛星，實(shí)現對全球碳排放的觀(guān)測，非常重要�！北R乃錳說(shuō)。

　　基于此，早在2009年，中國就開(kāi)始緊鑼密鼓地對碳衛星項目進(jìn)行論證；2011年，啟動(dòng)實(shí)施“863”計劃“十二五”重大項目“全球二氧化碳監測科學(xué)試驗衛星與應用示范”。經(jīng)過(guò)近6年的攻關(guān)研制，我國首顆碳衛星TANSAT終于在2016年末發(fā)射成功，填補了我國碳衛星的空白，而且儀器設計不僅不亞于美日的水平，還有自己的獨到之處。

　　“日本的碳衛星每天的有效觀(guān)測點(diǎn)只有300多個(gè)，相當于地球幾十萬(wàn)平方公里范圍內只有一個(gè)觀(guān)測點(diǎn)，而我國衛星掃描寬度相對而言更寬，能達到20公里。此外，我國碳衛星的有效采樣點(diǎn)比GOSAT高一個(gè)量級，相當于它的10倍�！北R乃錳說(shuō)。

　　除對二氧化碳觀(guān)測外，我國碳衛星還可同時(shí)觀(guān)測氣溶膠�！岸�氧化碳和氣溶膠異常更多是人類(lèi)活動(dòng)的產(chǎn)物，加載云與氣溶膠探測儀，實(shí)現聯(lián)合觀(guān)測，不僅可以解決對二氧化碳監測的‘噪音’干擾問(wèn)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(shuō)。在這一點(diǎn)上，美國碳衛星沒(méi)有考慮，日本的則考慮不足。

　　衛星發(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、區域的變化，從而監測各國家、地區的碳排放情況，摸清全球碳排放家底，這將為全球氣候研究提供依據，為保護地球環(huán)境和應對氣候變化作出積極貢獻。

　　跳著(zhù)“華爾茲”巡天

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

　　據中國科學(xué)院微小衛星創(chuàng )新研究院專(zhuān)家介紹，相比龐大的地球而言，地面監測站數量有限，難以獲得全球的數據，全球碳收支的總賬還不清楚，所以需要一種全球范圍區域尺度二氧化碳的測量手段。全球碳衛星發(fā)射后，不僅會(huì )明確各國碳收支的明細，還將有助于提高對全球碳循環(huán)機制的認識，從而改進(jìn)氣候變化預測結果的可信度和穩定性。

　　衛星系統總設計師尹增山表示，當今碳循環(huán)科學(xué)面臨的最大問(wèn)題是，在洲際、區域和局部尺度上無(wú)法觀(guān)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。而利用衛星進(jìn)行全球二氧化碳監測已經(jīng)成為重要手段。

　　究竟衛星在太空如何探測二氧化碳呢？其實(shí)，碳排放的秘密就暴露在陽(yáng)光下。據盧乃錳介紹，碳衛星對二氧化碳的測量原理，是通過(guò)“二氧化碳對太陽(yáng)光的吸收譜線(xiàn)”來(lái)實(shí)現的，二氧化碳探測儀從太空觀(guān)測地氣系統反射的太陽(yáng)光，利用氣體分子的吸收特性，測量出吸收譜線(xiàn)強度變化，從而推算出大氣中二氧化碳的濃度。

　　碳衛星有幾種觀(guān)測模式。一種是“斜著(zhù)看”，即“耀斑觀(guān)測模式”，利用太陽(yáng)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據。一種是“豎著(zhù)看”，即“天底探測模式”，利用地面的漫反射特性開(kāi)展地面二氧化碳的觀(guān)測。還有一種是“盯著(zhù)看”，即衛星在飛行過(guò)程中，“目光”始終駐留在特定目標上，完成精細觀(guān)測和驗證任務(wù)。

　　盧乃錳告訴《經(jīng)濟日報》記者，由于太空環(huán)境惡劣，時(shí)間一長(cháng)，元器件容易老化，衛星定標系統可能發(fā)生變化，監測就不準了，所以衛星用一段時(shí)間，需要標定一下。衛星有兩種定標模式，一種是以太陽(yáng)為參照物，盯著(zhù)太陽(yáng)定標，由于太陽(yáng)的光譜非常穩定，因此可以利用太陽(yáng)光作為標準源標定儀器的觀(guān)測值；還有一種模式是看月亮，月亮光比較暗，衛星飛到看不到太陽(yáng)的時(shí)候，就掉個(gè)頭看月亮定標。不斷定標加上多種觀(guān)測模式交互進(jìn)行，碳衛星就要不斷調整姿態(tài)，在巡天勘“碳”的過(guò)程中跳起“華爾茲”。

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

　　按時(shí)分區提交“體檢報告”

　　碳衛星是我國民用衛星里最敏捷的。它到達太空后，將每16天對地球進(jìn)行一次體檢，分辨率達到2×2公里，檢測的數據發(fā)送給地面。經(jīng)過(guò)2至3個(gè)月的數據累計，碳衛星的觀(guān)測就可以完成對整個(gè)地球的全覆蓋。通過(guò)解析和處理可以最終形成不同季節、不同地區排放情況的“體檢報告”。

　　這個(gè)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測的精度優(yōu)于4ppm，而在大氣中，二氧化碳的濃度只有約萬(wàn)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。為此，碳載荷研究人員采用了大面積光柵分光技術(shù)，使得衛星的光譜分辨率超過(guò)一般高光譜載荷1至2個(gè)數量級。

　　碳衛星在天上忙碌，還要有一套完善的地面應用系統與之配合。中國氣象局國家衛星氣象中心承擔此重點(diǎn)項目中“地面數據接收處理與二氧化碳反演驗證系統”的課題研究，目標是建立地面數據處理與二氧化碳反演驗證系統，形成對全球、中國及其他重點(diǎn)地區大氣二氧化碳濃度監測能力，使我國在大氣二氧化碳觀(guān)測方面達到國際先進(jìn)水平。國家衛星氣象中心科技人員聯(lián)合中科院大氣所等國內優(yōu)勢單位，依托風(fēng)云三號地面應用系統工程，通過(guò)精心設計和適用性改造，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(shí)現了對碳衛星全球數據的接收和處理。

　　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技術(shù)，開(kāi)發(fā)高精度的數據預處理和產(chǎn)品生成系統，獲得相對誤差小于1%的全球二氧化碳濃度分布圖。

　　全球二氧化碳監測科學(xué)實(shí)驗衛星與應用示范項目具有廣泛的應用前景，待衛星發(fā)射入軌之后，碳衛星將開(kāi)始長(cháng)達3年的工作，利用白天的分分秒秒，每天記錄長(cháng)達約10小時(shí)的數據，這將成為我國第一手的二氧化碳監測數據。

　　目前，正值巴黎協(xié)定正式生效，我國處于經(jīng)濟發(fā)展轉型期，大氣環(huán)境保護、環(huán)境外交以及生存與發(fā)展的矛盾帶來(lái)的壓力十分巨大。這迫切需要發(fā)展衛星大氣溫室氣體業(yè)務(wù)監測能力，為全面理解和掌握氣候變化的事實(shí)和科學(xué)規律、加強應對氣候變化能力建設提供客觀(guān)科學(xué)依據。因此，可以說(shuō)，碳衛星是一顆擔當之星。（經(jīng)濟日報記者 杜 芳）