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”為何要遠赴太空看病?它的技術水平如何?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(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……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,這相當于給地球又蓋了層“棉被”,導致過去100年全球平均氣溫上升了約0.7℃。

科學家對此非常擔心,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,人類的生產(chǎn)生活將隨之改變?！把芯咳藛T對氣候變化進行模擬發(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)星首席應用科學家、國家衛(wèi)星氣象中心總工盧乃錳說。

應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)專用的高精度的溫室氣體觀測衛(wèi)星,由于技術難度大,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問題,也涉及政治及環(huán)境外交問題。我國在應對氣候變化的國際談判中是否能有話語權,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(wèi)星,實現(xiàn)對全球碳排放的觀測,非常重要?！北R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)測科學試驗衛(wèi)星與應用示范”。經(jīng)過近6年的攻關研制,我國首顆碳衛(wèi)星TANSAT終于在2016年末發(fā)射成功,填補了我國碳衛(wèi)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(wèi)星每天的有效觀測點只有300多個,相當于地球幾十萬平方公里范圍內只有一個觀測點,而我國衛(wèi)星掃描寬度相對而言更寬,能達到20公里。此外,我國碳衛(wèi)星的有效采樣點比GOSAT高一個量級,相當于它的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趸己蜌馊苣z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,而且對于科學分析兩者之間的聯(lián)系非常有利。”盧乃錳說。在這一點上,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),為保護地球環(huán)境和應對氣候變化作出積極貢獻。

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可以采集大氣中二氧化碳濃度的相關數(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探測數(shù)據(jù)呢?

據(jù)中國科學院微小衛(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,還將有助于提高對全球碳循環(huán)機制的認識,從而改進氣候變化預測結果的可信度和穩(wěn)定性。

衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師尹增山表示,當今碳循環(huán)科學面臨的最大問題是,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上,完成精細觀測和驗證任務。

盧乃錳告訴《經(jīng)濟日報》記者,由于太空環(huán)境惡劣,時間一長,元器件容易老化,衛(wèi)星定標系統(tǒng)可能發(fā)生變化,監(jiān)測就不準了,所以衛(wèi)星用一段時間,需要標定一下。衛(wèi)星有兩種定標模式,一種是以太陽為參照物,盯著太陽定標,由于太陽的光譜非常穩(wěn)定,因此可以利用太陽光作為標準源標定儀器的觀測值;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。不斷定標加上多種觀測模式交互進行,碳衛(wèi)星就要不斷調整姿態(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“復雜姿態(tài)指向控制技術”難題,給衛(wèi)星配備了復雜姿態(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、目標觀測、對日對月定標等多種模式的觀測。

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。它到達太空后,將每16天對地球進行一次體檢,分辨率達到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,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用系統(tǒng)與之配合。中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心承擔此重點項目中“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到國際先進水平。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優(yōu)勢單位,依托風云三號地面應用系統(tǒng)工程,通過精心設計和適用性改造,建立了由風云三號佳木斯、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”等一系列難關,研究光譜和輻射高精度定標技術,開發(fā)高精度的數(shù)據(jù)預處理和產(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)測科學實驗衛(wèi)星與應用示范項目具有廣泛的應用前景,待衛(wèi)星發(fā)射入軌之后,碳衛(wèi)星將開始長達3年的工作,利用白天的分分秒秒,每天記錄長達約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)務監(jiān)測能力,為全面理解和掌握氣候變化的事實和科學規(guī)律、加強應對氣候變化能力建設提供客觀科學依據(jù)。因此,可以說,碳衛(wèi)星是一顆擔當之星。

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