中国碳卫星“把脉”全球大气

最近，中国在酒泉卫星发射中心成功发射了全球二氧化碳监测科学实验卫星(以下简称“碳卫星”)。这是中国第一颗专用于监测全球大气中二氧化碳含量的卫星，配备了高光谱和高空间分辨率二氧化碳探测器、多光谱云和气溶胶探测器以及其他设备。这也是继美国和日本之后的世界第三颗碳卫星。为什么发射这样一颗卫星？监测二氧化碳的意义是什么？如何监测二氧化碳？这颗卫星携带什么“高科技”技术设备？

“碳排放”数据

中国需要声音

温室效应直接威胁着全人类的生存和发展。在如此严峻的形势下，减少二氧化碳和其他温室气体的排放成为必然的选择。为了实现《巴厘岛路线图》的“三个可衡量”量化减排目标(可衡量、可报告和可核实)和相应的衡量方法，各国*都渴望拥有切实可行的衡量方法和技术，为全球碳循环研究提供可信的数据支持。

地面观察点可以收集大气中的二氧化碳数据。为什么要发射卫星？碳卫星项目地面应用系统总设计师杨忠东表示，全球仅有数百个二氧化碳地面观测站，难以满足监测要求。只有当卫星被用来俯视时，才能画出二氧化碳分布的全景图。

正因为如此，发达国家相继开发了专用卫星。由于技术难度极高，目前只有两颗卫星在监测地球从太空排放的温室气体:一颗是日本2009年发射的温室气体观测卫星“GOSAT”；另一颗是美国在2014年发射的OCO-2卫星，专门用于测量大气中的二氧化碳浓度。

科技部国家遥感中心总工程师李嘉红表示，中国的碳卫星通过地面数据接收、处理和验证系统定期获取全球二氧化碳地图，这使中国成为全球大气二氧化碳监测的主要参与者之一。“在管理我们的家庭之前，我们必须有一个会计账簿。这本“会计账簿”是我们自己监控的碳排放。了解碳排放数据中的敌人和你自己，对于增强中国在国际气候变化中的话语权具有重要意义。”李嘉红说。

带上你自己的“千里眼”

“看”辨色气

碳卫星探测大气温室气体是基于大气吸收池的原理。二氧化碳、氧气和其他气体在近红外到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。对吸收光谱的强度进行了严格的定量测量，并应用反演算法计算出卫星观测路径上的二氧化碳柱浓度。

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，可以推断出全球二氧化碳通量(单位面积单位时间二氧化碳总量)的变化，这是碳循环研究的核心数据基础。

为了获得高精度的大气吸收光谱和识别二氧化碳，并制作“动态地图”，碳卫星需要特殊的“千里眼”，这是碳卫星的主要负载——高光谱和高空间分辨率二氧化碳探测器。其工作原理是利用分子吸收谱线检测可见光和近红外光谱中的二氧化碳浓度。

换句话说，二氧化碳气体是通过“看颜色”来识别的。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究员郑雨泉解释说，当阳光穿过空气时，空气中的二氧化碳分子会不同程度地吸收许多细微的颜色。通过用光学仪器非常精确地测量这些颜色，可以反过来计算二氧化碳分子的数量，从而知道大气中二氧化碳的浓度。

此外，该探测器采用大面积衍射光栅细分吸收光谱，可探测三个大气吸收光谱通道，最大分辨率为0.04nm，这在国内尚属首次。

多种观察模式

旋转

碳卫星很小，但它是目前我国最复杂的民用卫星。通过多种观察模式的结合，碳排放无处可藏。

二氧化碳探测器与卫星平台配合，通过主平面底部观测和耀斑观测两种主要观测模式，精确测量全球陆地和海面路径上二氧化碳的吸收光谱:斜“望”，耀斑观测模式，利用太阳在海面的镜面反射，提高信噪比，获得海面以上的二氧化碳数据；垂直“观看”，天空底部的观察模式利用地面的漫反射特性进行表面二氧化碳的观察。

为了保证在轨获取的光谱数据的准确性，需要在轨标定日、月和地球的载荷:白天以太阳为标准源标定仪器的观测值；晚上，月亮被用作校准仪器观测值的标准源。地面校准采用高精度地面测量设备，提高数据一致性。由于需要交互式地进行多种观察模式，并且每个圆都需要校准，所以卫星必须不断地调整其姿态，就像跳太空华尔兹一样。

碳卫星运行后，每16天将在地球上进行一次全面的身体检查。科学数据将通过风云系列地面接收站的资源传输。这些数据不是直接可用的二氧化碳浓度分布，需要大气物理学家对全球二氧化碳分布进行高精度反演计算，最终形成不同季节和地区的排放“体检报告”。

承载“高精度”

未来要测量的烟雾

除了携带二氧化碳探测器，碳卫星还有另一个“利器”——多光谱云和气溶胶探测器。尽管它不是一个“主角”，但它可能会带来许多意想不到的收获。

在碳卫星项目演示期间，只为云和气溶胶探测器规划了四个光谱通道，但随着地面应用系统的不断演示，根据需要进行了进一步调整，增加了相应的通道。增加探测通道后，可以提取气溶胶光学厚度，通过大气校正获得表面反射率，从而实现气溶胶和表面反射率的同时反演。这样，不仅可以获得全球范围内的气溶胶数据，为科学家们准确地推断二氧化碳浓度，消除干扰因素，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)的原因提供重要的数据支持。一些研究人员表示，如何监测烟雾应在碳卫星发回第一批数据后进行分析和判断。此外，除了精确测量和消除测量干扰之外，为了实现最终的任务目标，还需要多个大型系统的协调与合作。根据空间工程模式，碳卫星由五大系统组成，即卫星、运载火箭、发射场、测控和应用。

碳卫星的发射肩负着巨大的使命。除了进行相关的科学实验外，更好地掌握二氧化碳的全球分布规律和机理具有很大的应用价值。卫星传输的信息将在加工、加工、共享和服务过程中根据应用要求与其他国家共享，有效指导中国的节能减排工作李嘉红说。