中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家

最近，中国的全球二氧化碳监测科学实验卫星(以下简称“碳卫星”)数据已正式向公众开放共享，这也意味着中国已成为继美国和日本之后第三个提供碳卫星数据的国家。

这颗碳卫星由中国自主研发，于2016年12月在酒泉卫星发射中心发射。2017年1月12日成功启动，1月13日切换到在轨观测任务模式，获得第一批观测数据。碳卫星地面应用系统总工程师杨忠东表示:“目前，整个碳卫星从卫星到地面基本处于正常运行阶段。”

那么，碳卫星是在什么背景下出现的呢？你有什么特殊技能？“碳排放”怎么可能无处不在？今天，请跟随边肖去寻找答案。

碳卫星的起源

肩负光荣使命

从来没有一个单一的问题，比如“气候变化”，影响到世界上的每一个人，甚至每一种生活。

全球变暖、温室效应、极端天气、烟雾...每个字都像一把沉重的锤子，不时敲打着脆弱的人类文明。

面对严峻的“气候变化”形势，减少二氧化碳等温室气体排放已成为应对“两难”的必然选择。《联合国气候变化框架公约》的最终目标是“将大气中的温室气体浓度稳定在一个水平，防止危险的人为干扰气候系统。”

碳排放的定量监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础和保障。目前，在所有的碳排放监测方法中，只有星载高光谱温室气体检测技术可以实现对大气中CO2等温室气体浓度的高精度检测，还可以获得世界各地区的气体浓度分布数据。

为此，发达国家一直在积极研发专用的高精度温室气体观测卫星。然而，由于技术难度极高，目前只有两颗卫星在监测地球从空间排放的温室气体:一颗是日本2009年发射的温室气体观测卫星" GOSAT "，另一颗是美国2014年发射的" OCO-2 "卫星。

OCO-2卫星

在此背景下，“全球二氧化碳监测科学实验卫星及应用示范”重大项目(以下简称“全球碳监测卫星项目”)于2011年立项。经过近六年的研发，中国首颗二氧化碳观测科学实验卫星于2016年12月成功发射。

小人有很大的能力。

碳卫星的主要载荷

碳卫星是一颗具有高空间分辨率和高光谱分辨率的全球二氧化碳监测科学实验卫星。它以高光谱二氧化碳探测器、多光谱云和气溶胶探测器为主要负载，监测精度为4PM，具有监测世界、中国等重点地区大气二氧化碳浓度的能力。

碳卫星基于大气吸收池原理实现大气温室气体探测。CO2、O2等气体在近红外至短波红外波段有更多的气体吸收，形成一个特征大气吸收光谱。吸收光谱的强度是严格和定量测量的。综合气压、温度等辅助信息，消除大气悬浮颗粒等干扰因素。卫星观测路径上的CO2柱浓度可以通过应用反演算法来计算。

温室气体大气吸收池示意图

通过对全球柱浓度的序列分析和借助一系列数据同化系统模型的计算，可以推断出全球CO2通量(单位面积单位时间CO2总量)的变化，这是碳循环研究的核心数据基础。

碳循环示意图

为了获得高精度的大气吸收光谱，我们必须依靠碳卫星的主要有效载荷——高光谱和高空间分辨率CO2探测器。负载采用大面积衍射光栅细分吸收光谱，可检测2.06米、1.6米和0.76米三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04纳米，就像检查人的指纹一样。普通仪器只能看到纹理，而二氧化碳探测器可以将指纹放大100倍，并精确测量每个指纹的宽度和深度。这是中国首次研制出如此高的分辨率。

CO2探测器通过指向镜收集外部光线，巧妙设计成“一镜两用”:一面镜子用于观察时折射光线；在校准过程中，漫反射表面与太阳对齐，仪器的精度通过漫反射光进行校准。

CO2探测器中使用的核心分光元件是大面积全息光栅，要求极高的衍射效率和面型精度要求，同时必须能够适应恶劣的空间环境要求。为了突破这一关键技术，研究人员从制作全息光栅所需的高精度曝光系统的最基础研究开始，逐步解决了技术难点。最后，在碳化硅衬底上制作高精度衍射光栅，并在航空飞行校准试验中进行验证。

大面积全息衍射光栅

一个英雄和三个帮手

配角也不简单

尽管碳卫星的另一个有效载荷多光谱云和气溶胶探测器不是主要角色，但也不应该被低估。它可以测量诸如云和大气粒子等辅助信息，为精确反演CO2浓度和消除干扰因素带来许多意想不到的好处。

碳卫星装载系统

项目获批时，云和气溶胶探测器仅规划了4个0.38毫米、0.67毫米、0.87毫米和1.64毫米的光谱通道；但是，随着地面应用系统的不断示范，希望该仪器能够增加1.375毫米的探测通道，实现0.67μm和1.64μm波段的0、60和120个方向的偏振测量功能。

为了获得更丰富的科学数据，项目组成员克服困难，重新设计了仪器，根据应用系统的要求增加了相应的检测通道。

这张照片显示了一个多光谱云和气溶胶探测器的特写镜头。

加入探测通道后，利用偏振信号对气溶胶敏感而对表面不敏感的特点，可以提取气溶胶光学厚度。然后，利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点，通过大气校正获得地表反射率，从而实现气溶胶和地表反射率的同时反演。

这不仅可以获得全球范围内的气溶胶数据，还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，为研究大气污染(如PM2.5)的成因提供重要的数据支持

碳卫星开发小组

用青春书写绿色使命

2011年，碳卫星项目正式启动。针对该项目意义重大、技术指标高、开发周期短的特点，中科院长春光机所在“天宫一号”高光谱成像仪开发团队的基础上，组建了一支具有一定工程经验、年轻且充满战斗力的科研团队。项目开始时，“碳卫星”有效载荷研究团队由32人组成，平均年龄不到33岁，其中CO2探测器首席研究员郑雨泉39岁，CAPI探测器首席研究员阎长祥38岁。正是这样一个年轻的团队开始了碳卫星有效载荷开发的艰难战役。

在过去的六年里，研究小组冷静地处理了各种困难，并根据两条线索开展工作:解决关键技术问题和实施空间工程。先后完成了两个载荷的设计、原理样机的开发和验证、初始样品载荷的开发和航空飞行试验，突破了一系列核心关键技术。在取得突破的过程中，也凝聚了团队成员的大量心血。由于仪器的性能要求，CO2探测器在轨道上需要在零下20度的温度下工作，因此要求仪器的所有部件都在零下20度的低温下组装。当室外温度上升到20℃时，安装调试小组中的几个年轻人需要穿厚羽绒服，在零下20℃的低温箱中进行光学和机械安装调试，开始时会持续3个月。

整个负载体为1平方米。当它穿着“金色法衣”冲进宇宙时，它承担了保护人类和控制温室气体排放的神圣使命。随着项目的完成，中科院长春光机所碳卫星研究团队的年轻人也进入了新的一年。他们从零开始实现了技术突破。它也赶上了国际先进水平。在“碳电缆”的过程中，他们用自己的青春写下了一个科研梦想！

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