□ 趙斌

當?shù)貢r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，進入高705千米、傾角98.2度的太陽同步軌道。衛(wèi)星發(fā)射質量407千克，工作壽命設計為2年。

盡管人們對全球變化的機理還存在諸多分歧，但以碳為基礎的溫室氣體對全球氣候變化的重要影響已達成共識。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嚴重干擾氣候系統(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)達國家規(guī)定了溫室氣體減排指標，2008年召開的G8峰會將“低碳”這一議題推上了前臺，2009年哥本哈根氣候峰會和2010年的坎昆氣候變化大會的召開，更顯示出全球對溫室氣體排放導致全球氣候變化的普遍認同。中國作為一個人口大國和能源消耗大國，在這兩次峰會上無奈地被推到了風口浪尖上。為了達到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標（可測量、可報告、可核查）和相應的計量方法，各國政府都迫切希望相關的科學家們能拿出切實可行的測量方法和技術，獲得足夠長時間的真實可信的數(shù)據(jù)，在重大問題上保護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，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)合國氣候峰會鬧得最不可開交一年應該就是2009年了，那一年，日本和美國相繼發(fā)射了旨在進行全球溫室氣體觀測的衛(wèi)星。1月23日，日本“呼吸”號溫室氣體觀測衛(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運載火箭的整流罩未成功分離，無法到達預定的軌道，最后墜入太平洋?？梢哉f，這次發(fā)射失敗，對氣候學家來說，損失巨大，本來他們指望用這顆衛(wèi)星來彌補地面上參差不齊的二氧化碳測量數(shù)據(jù)的。OCO的設計是用與二氧化碳相關的吸收曲線監(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)星進入火箭整流罩

也許是這種監(jiān)測在國際政治上的獨特意義，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然，大家都希望在不久的將來“復制”一顆新的衛(wèi)星重新發(fā)射。當年12月，美國國會會議委員會敦促航宇局在2010財年為替換項目撥出啟動資金。2010年，噴氣推進實驗室（JPL）總承包“軌道碳觀測者2號”（OCO-2）項目，衛(wèi)星采用軌道科學公司的“低軌星”2平臺，最初的設計的確與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，只好進行重新設計，延遲發(fā)射。項目總費用高達4.68億美元。

科技人員進行最后的檢查

火箭二級組裝

與此同時，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原先的設計思路。

雖然日本“呼吸”號衛(wèi)星不能與OCO一樣制作出詳細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”號衛(wèi)星的一些數(shù)據(jù)后，意識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。另外，在某些場合下看似噪音的東西也可能是另一種信號，這催生了一種新的技術——葉綠素熒光測量科學時代到來了。

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——因為，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，植物只有在進行光合作用時才會發(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長期存在的爭論，那就是亞馬遜雨林如何應對干旱。因為預計隨著全球逐漸變暖，干旱發(fā)生頻率可能更高。一些科學家認為，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導致“綠化”（greening up）。

另一篇2013年基于“呼吸”號數(shù)據(jù)發(fā)表在《英國皇家學會學報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，而另一個指示產(chǎn)量的參數(shù)葉面積指數(shù)卻達到了峰值。也就是說，葉綠素熒光制圖變得更加重要，有科學家認為，這是衛(wèi)星最具創(chuàng)新性和革命性的觀測任務。

其實，植物生理學家早在幾十年前就已知道葉綠素熒光性：葉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)象稱為葉綠素熒光現(xiàn)象，葉綠素熒光也被稱為光合作用的探針。然而，要從太空進行熒光制圖還是困難重重，因為這微弱的信號要穿過地球環(huán)繞的濃密大氣層。現(xiàn)在，科學家們已經(jīng)可以對所獲得的最清晰葉綠素熒光進行深入研究了，可用于計算全球植被是如何吸收二氧化碳的。如果結合GOSAT和OCO-2制圖可獲得一個特定地區(qū)的二氧化碳凈交換。有了熒光信號，研究人員可以進行更深入探討，利用兩個組分得到生態(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間的變化情況。通過精確制圖，可以糾正全球碳收支計算中因數(shù)據(jù)缺失導致的不準確性，這樣提供了一種新的工具來評估生態(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！

熒光測量的應用可能會遠遠超出氣候科學研究本身。熒光制圖還可以評估錯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)量進行更準確的估計，以及它們?nèi)绾螒獙Ω珊岛蜔崂耍@對了解生態(tài)系統(tǒng)如何適應氣候變化來說是非常有價值的信息。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目（FLEX）將開發(fā)300米分辨率的傳感器，耗資1億歐元的FLEX項目是2015年歐洲空間局兩份備選發(fā)射任務之一。

新聞速遞

OCO-2加入“午后”星座

藝術家筆下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，形成良好的互為佐證、優(yōu)勢互補的工作平臺。

因為這些衛(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行均勻采樣，每天對陽光照射的半球收集超過10萬個精確的重點取樣。科學家們在計算機上將利用這些數(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別二氧化碳源和匯提供新的工具。OCO-2也將測量太陽誘導的熒光現(xiàn)象，這是一個植物生長與健康的度量指標。在植物進行光合作用時，它們吸收二氧化碳并發(fā)出熒光，這個光非常非常微弱，一般肉眼是看不見的。因為光合作用越多，轉化的熒光也就越多，來自OCO-2的熒光數(shù)據(jù)將有助于對植物吸收二氧化碳進行新的闡述。

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。當光線穿過大氣層，二氧化碳和其他一些氣體分子會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二氧化碳源，比如一個大的工業(yè)城市。更少的二氧化碳意味著是一個碳匯，會吸收二氧化碳，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。其中一個光譜儀觀測氧分子的光譜，稱為A-波段光譜。因為氧分子是大氣中相對穩(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。除了校準二氧化碳濃度這個關鍵任務，還告訴科學家們有多少陽光被氣溶膠和云吸收或反射了。

通常在陽光到達地面之前，大氣層中的云和氣溶膠就會反射掉一些陽光，這不僅縮短了陽光的路徑并會與地表反射的光混淆起來。通過和“午后”星座中的“云霧激光雷達和紅外線引導衛(wèi)星觀測”衛(wèi)星（CALIPSO）和“探云”衛(wèi)星（CloudSat）有關云和氣溶膠的高度數(shù)據(jù)互相驗證，正好可以彌補這一缺陷。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。有了這些細節(jié)，OCO-2將對地球表面附近的大氣二氧化碳濃度進行極其精確的測量，可以預計，OCO-2將會使全球研究二氧化碳和全球碳循環(huán)進入新的高度，并為制定如何適應和減少未來氣候變化的政策奠定基礎。

觀測地球大氣層的“午后”星座系列（因為這些衛(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）