揭秘我国首颗二氧化碳监测科学实验卫星

中国第一颗二氧化碳监测科学实验卫星即将发射。它将利用自己的眼睛探索全球二氧化碳变化的秘密。

“中国还没有如此复杂的民用卫星观测模式。它通过五种观测模式的组合来探测全球二氧化碳。卫星搭载的高光谱二氧化碳探测器有2000多个通道，光谱分辨率极高，卫星开发难度很大。”碳卫星首席应用科学家鲁奈曼告诉《每日科学》记者。

利用光谱吸收特性找出

与以前的气象卫星不同，碳卫星使用分子吸收线来探测可见和近红外光谱中的二氧化碳浓度。“当大气暴露于阳光下时，二氧化碳分子会表现出光谱吸收特性。大气中二氧化碳的浓度可以通过碳卫星对二氧化碳光谱吸收线的精细测量来反映。”鲁曼说。

反演验证系统是获取卫星数据后计算二氧化碳和气溶胶分布的关键环节，也是鲁曼在采访中反复提到的技术关键。一般来说，太阳的光谱是确定的。如果大气条件如二氧化碳浓度是已知的，卫星应该观测到的光谱将根据模型进行计算并正演模拟。根据从卫星获得的数据，从模型中反演二氧化碳浓度就是反演。

“过去，气象卫星涉及的反演问题大多集中在红外和微波波段，而碳卫星涉及可见光和近红外波段的反演，机理不同，难度加大。这需要考虑云和气溶胶、气压、温度、反照率等因素的影响，并重新设计一个新的反演验证系统。我们集中国内优势单位联合攻关，终于啃下这块硬骨头，填补了国内技术空白。”鲁曼说。

国家遥感中心总工程师李嘉红说，航空遥感实验和地面观测反演后来被加入到这个项目中。前者是先将二氧化碳探测器放在飞机上收集数据，让研究人员在碳卫星发射前熟悉相关的数据处理和反演方法，积累经验，确保碳卫星在获得数据后及时应用。

可以跳华尔兹和翻筋斗，还可以侧身和垂直观看。

鲁曼向记者展示了碳卫星工作的模拟视频。“人们看到卫星在天空中飞舞，感到非常美丽，但从事卫星工作的人听到这一要求时通常会感到害怕。如果他们不能转身回来怎么办？”他说，这种敏捷的观测需要极高的卫星技术。

为什么这颗卫星需要继续旋转？这涉及到它复杂的观察模式。碳卫星可以被斜着、垂直地观察和凝视。侧视是耀斑观测模式，它利用太阳在海面上的镜面反射来提高信噪比，并获得海面上的二氧化碳数据。垂直观测模式是天空的底部，利用地面的漫反射特性进行地面二氧化碳的观测。凝视意味着卫星总是瞄准特定的目标，在飞行中观察并完成设定的任务。此外，碳卫星还观测太阳和月亮，并校准太阳和月亮。

鲁曼说，这相当于一颗只有一只眼睛的卫星，需要不断转换角度来完成不同方向的观测。因此，卫星必须不断调整姿态，就像跳优美的华尔兹一样。

这种复杂而困难的“舞蹈”观测使碳卫星能够获得更有效的全球二氧化碳分布信息。“日本的gosat(2009年发射的世界上第一颗温室气体观测卫星)只有300多个有效观测点。在设计过程中，我们增加了卫星的扫描宽度和采样点的数量，使有效的观测点比它们的多一个数量级。”鲁曼说。

携带两个二氧化碳和气溶胶探测器

除了模块化卫星平台，高标准有效载荷设计也是碳卫星开发的一个主要困难。这颗碳卫星搭载了两台遥感仪器。一个是高光谱和高空间分辨率二氧化碳探测器，另一个是多波段云和气溶胶探测器。

“几十纳米的带宽对肉眼来说只是一种颜色。在其上排列2000多个通道，也就是说，精细区分2000多种颜色，对光学仪器的材料和技术是一个巨大的挑战。”鲁曼说。

碳卫星项目要求大气中二氧化碳浓度的监测精度优于4ppm(百万分之几)，也就是说，当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时，必须找到碳负荷。为此，中国科学院长春光机所生产了200×200毫米的大面积光栅，填补了国内在这一领域的技术空白。

将形成一份全球碳排放报告

中国的碳卫星大气二氧化碳反演精度可达1-4点，高于日本的GOSAT监测精度，相当于美国的OCO-2。

在成功发射和六个月的在轨测试之后，碳卫星将正式投入运行，在16天内完成一个返回周期，每两到三个月进行一次有效的全球覆盖。对碳卫星获得的信息进行分析和处理后，将形成不同地区的碳排放报告。

"要充分利用这颗恒星，需要做四件事."鲁曼说，首先是卫星数据的预处理，包括卫星定位、光谱校准、辐射校准等。第二个是之前强调的数据反演。第三是模式同化技术。第四是数据共享。

有没有计划在这颗碳卫星的基础上安排一颗后续服务星？鲁曼说，尽管这颗恒星尚未发射，但它的一些成就已经应用于许多碳监测技术。像风云气象卫星这样的国家空间地球观测卫星也已经或正在考虑装载二氧化碳观测仪器。只有国家863计划领先。

“科技部特别强调在国内外共享碳卫星数据。目前，它已经制定了数据管理措施，并将在适当时候向公众公布。碳卫星数据将载入国家综合地球观测数据共享平台。除了向国内各种用户提供数据共享服务之外，还将通过全球生态环境遥感监测年度报告发布特别报告。在国际合作方面，将与地球观测组织分享，作为中国对地球观测组织的实质性贡献。将通过中欧“龙项目”合作与欧空局开展深入研究李嘉红透露，美国国家航空航天局前一段时间主动提出合作。随着来自中国和欧洲的碳卫星的跟踪，希望未来将形成多卫星联合观测，以进一步开放和共享数据。

(北京，12月18日，《科技日报》)