在節(jié)能減排刻不容緩的形勢(shì)下，碳衛(wèi)星翩翩起舞，通過(guò)多種觀測(cè)模式組合，讓碳排放無(wú)處遁形

1992年，世界各國(guó)簽署了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，意在將大氣二氧化碳濃度穩(wěn)定在某一水平上以防止人類(lèi)活動(dòng)嚴(yán)重干擾氣候系統(tǒng)。之后，數(shù)次全球范圍內(nèi)的氣候大會(huì)，都顯示出國(guó)際社會(huì)對(duì)溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變化的普遍認(rèn)同，氣候變化問(wèn)題已超越地緣政治成為關(guān)系人類(lèi)命運(yùn)的重要議題。

在節(jié)能減排刻不容緩的形勢(shì)下，為了達(dá)到“巴厘路線(xiàn)圖”的“三可”量化減排目標(biāo)（可測(cè)量、可報(bào)告、可核查）和相應(yīng)的計(jì)量方法，各國(guó)政府都迫切希望科學(xué)家們能拿出切實(shí)可行的測(cè)量方法和技術(shù)，為全球碳循環(huán)的研究提供可信的數(shù)據(jù)支持。

為了在全球和區(qū)域尺度獲取碳循環(huán)研究所需的二氧化碳通量信息，星載二氧化碳探測(cè)技術(shù)成為“嗅碳”的首要突破點(diǎn)，然而極大的技術(shù)難度使目前全球僅有兩顆衛(wèi)星在軌工作。一是日本于2009年成功發(fā)射了溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星“呼吸”號(hào)，另一個(gè)是美國(guó)2014年發(fā)射的OCO-2衛(wèi)星。2015年12月22日，美國(guó)NASA公布了首張全球二氧化碳分布圖，其中中低緯度部分地區(qū)的大氣二氧化碳濃度突破了400ppm（即百萬(wàn)分之四百）。

探測(cè)大氣污染

2009年，國(guó)家遙感中心組織專(zhuān)家組開(kāi)始中國(guó)碳衛(wèi)星的前期戰(zhàn)略研究工作；2011年在863計(jì)劃的支持下“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”重大項(xiàng)目（中國(guó)碳衛(wèi)星）正式立項(xiàng)。項(xiàng)目目標(biāo)是研制并發(fā)射一顆“以高光譜二氧化碳探測(cè)儀、多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”，建立高光譜衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證系統(tǒng)，形成對(duì)全球、中國(guó)及其它重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到1-4ppm。

碳衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大氣溫室氣體探測(cè)是基于大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對(duì)吸收光譜的強(qiáng)弱進(jìn)行嚴(yán)格定量測(cè)量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應(yīng)用反演算法即可計(jì)算出衛(wèi)星在觀測(cè)路徑上二氧化碳的柱濃度。

通過(guò)對(duì)全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型，可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時(shí)間通過(guò)單位面積的二氧化碳總量），這正是碳循環(huán)研究的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀。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?m、1.6?m、0.76?m三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04nm，如此高的分辨率在國(guó)內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。

科學(xué)家將這項(xiàng)操作類(lèi)比檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測(cè)儀可以把指紋放大一百倍，精細(xì)的測(cè)量每條指紋的寬度和深度。

要實(shí)現(xiàn)這些核心指標(biāo)可不是一件容易的事情，科學(xué)家們既需要對(duì)觀測(cè)和定標(biāo)進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，還需要能做出極高的衍射效率和面型精度大面積全息光柵。據(jù)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研究員鄭玉權(quán)介紹，為突破探測(cè)儀上的關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(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)難點(diǎn)，最終在SiC基底上制造出高精度衍射光柵，并在航空較飛試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

二氧化碳探測(cè)儀與其他很多星載光學(xué)載荷不同，為了提高兩個(gè)紅外通道的信噪比、保證光譜探測(cè)精度，其在軌工作時(shí)要保持在-5℃的溫度水平。就是這一簡(jiǎn)單的條件變化，讓科研人員付出巨大的努力，在進(jìn)行所有的組件、整機(jī)裝調(diào)工作時(shí)都必須在-5℃條件下，于是，在載荷初樣、正樣研制最緊張的階段，研究人員連續(xù)數(shù)月在低溫室里工作，經(jīng)常是戶(hù)外30℃以上的高溫，而低溫室內(nèi)卻要穿著厚厚的羽絨服、凍著手堅(jiān)持裝調(diào)。

碳衛(wèi)星的定標(biāo)難題

碳衛(wèi)星重約620公斤，由三部分組成：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、多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀。

為滿(mǎn)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，這也是我國(guó)迄今為止觀測(cè)模式最復(fù)雜的民用衛(wèi)星，它通過(guò)多種觀測(cè)模式的組合，讓碳排放無(wú)處遁形。

當(dāng)然，碳衛(wèi)星還面臨著定標(biāo)難題。二氧化碳探測(cè)儀定標(biāo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人藺超介紹，定標(biāo)技術(shù)是光譜儀器最終實(shí)現(xiàn)精度的關(guān)鍵技術(shù)，為保證最終的光譜數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，必須在實(shí)驗(yàn)室和在軌工作時(shí)對(duì)儀器的光譜性能和輻射性能進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定?？蒲腥藛T不但為二氧化碳探測(cè)儀量身特制了真空定標(biāo)系統(tǒng)，還利用可調(diào)諧激光器和波長(zhǎng)及搭建自動(dòng)化定標(biāo)系統(tǒng)，大幅提高了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的效率，使儀器的定標(biāo)周期較OCO-2大幅縮短。

為了讓二氧化碳濃度探測(cè)更加精準(zhǔn)，科研人員還給碳衛(wèi)星裝上了另一臺(tái)載荷——多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀可以測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO2濃度剔除干擾因素。

當(dāng)然，云與氣溶膠探測(cè)儀作用還不僅于此。據(jù)科技部遙感中心總工程師李加洪介紹，它還可以獲取全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，這不僅可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，還可以為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。

衛(wèi)星在天上大展拳腳，但是僅靠它單打獨(dú)斗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成使命的，若要實(shí)現(xiàn)最終任務(wù)目標(biāo)，需要多個(gè)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。在科技部、中國(guó)科學(xué)院的共同組織下，碳衛(wèi)星按照航天工程模式，組成了衛(wèi)星、運(yùn)載、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、應(yīng)用五大系統(tǒng)。

碳衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行后，科學(xué)數(shù)據(jù)將依托風(fēng)云系列地面接收站資源完成數(shù)據(jù)下傳。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(guò)氣象學(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。

碳衛(wèi)星肩負(fù)著巨大的使命進(jìn)入太空探索，除了進(jìn)行相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)，更好地掌握二氧化碳的全球分布規(guī)律、機(jī)理，還有巨大的應(yīng)用價(jià)值?！昂笃谛l(wèi)星傳送的信息進(jìn)行處理、加工、分享、服務(wù)時(shí)都會(huì)按照應(yīng)用的需求，與其他國(guó)家共享，同時(shí)有效指導(dǎo)我國(guó)的節(jié)能減排?！崩罴雍檎f(shuō)。

“小衛(wèi)星”的大責(zé)任

碳衛(wèi)星最終實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)，還需要衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)靈活的觀測(cè)模式。二氧化碳探測(cè)儀與衛(wèi)星平臺(tái)配合，通過(guò)主平面天底和耀斑兩種主要觀測(cè)模式，才能對(duì)全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進(jìn)行精確測(cè)量。為保證在軌獲取光譜數(shù)據(jù)的精度，載荷需要進(jìn)行對(duì)日、對(duì)月定標(biāo)，這也需要衛(wèi)星平臺(tái)頻繁調(diào)整姿態(tài)、翩翩起舞。中國(guó)碳衛(wèi)星絕對(duì)是地球之上的靈魂舞者。

“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。這對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)是很大的挑戰(zhàn)?！碧夹l(wèi)星首席應(yīng)用科學(xué)家盧乃錳說(shuō)，“如果有一顆掛在地球之上的衛(wèi)星，每天都在繞著地球跑圈，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月，就能把全球每個(gè)角落的二氧化碳情況都看到。”

氣候問(wèn)題是全人類(lèi)共同面對(duì)的問(wèn)題，解決氣候問(wèn)題、監(jiān)測(cè)碳排放也是需要世界各國(guó)努力合作的問(wèn)題。李加洪曾談到“做全球二氧化碳監(jiān)測(cè)僅僅一兩顆衛(wèi)星是不夠的，我國(guó)（碳衛(wèi)星）是第三顆，歐洲也將碳衛(wèi)星列入計(jì)劃。我們希望通過(guò)這顆衛(wèi)星和其他幾個(gè)國(guó)家合作形成碳衛(wèi)星‘虛擬星座，聯(lián)合觀測(cè)大氣二氧化碳，為全球氣候變化提供更加豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”。

正如習(xí)近平總書(shū)記在巴黎氣候大會(huì)發(fā)言時(shí)強(qiáng)調(diào)，“應(yīng)對(duì)氣候變化是人類(lèi)共同的事業(yè)……要推動(dòng)建立公平有效的全球應(yīng)對(duì)氣候變化機(jī)制、實(shí)現(xiàn)更高水平全球可持續(xù)發(fā)展。”

中國(guó)碳衛(wèi)星正是中國(guó)人民和中國(guó)政府積極參與應(yīng)對(duì)氣候問(wèn)題、擔(dān)負(fù)大國(guó)責(zé)任的體現(xiàn)。