12月22日3點(diǎn)22分，我國發(fā)射了首顆“碳衛(wèi)星”，這也是繼日本、美國之后世界第3顆專門用于監(jiān)測(cè)全球大氣中二氧化碳分布的衛(wèi)星，最終將通過所獲得的數(shù)據(jù)掌握全球大氣中二氧化碳分布的情況。

“碳”究竟為哪般？

目前,人類每年因使用化石燃料向地球大氣中排放的二氧化碳超過300億噸，生物燃料、森林火災(zāi)以及農(nóng)業(yè)焚燒等每年共排放二氧化碳達(dá)55億噸。科學(xué)家認(rèn)為，這些人類活動(dòng)造成地球自然碳循環(huán)失衡，導(dǎo)致地球表面溫度上升和氣候變化。因此，對(duì)大氣二氧化碳水平的研究極為重要。要想真正有效地實(shí)施防止全球氣候變暖的各種措施，掌握氣候變暖的準(zhǔn)確情況，首先就需監(jiān)測(cè)全球碳排放，以便采取有效的應(yīng)對(duì)措施，減小全球二氧化碳濃度。

其實(shí)，監(jiān)測(cè)二氧化碳的工作在地面早已開展了，而且精度、時(shí)間分辨率和可靠性均比較高，但為什么近年還要發(fā)射碳衛(wèi)星來進(jìn)行監(jiān)測(cè)呢？這是因?yàn)樵诘孛姹O(jiān)測(cè)二氧化碳存在成本高、難度大等困難，所以用于監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度分布的地面觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，且分布不均，至今全球的二氧化碳地面觀測(cè)站點(diǎn)僅有約300個(gè)左右，并大多位于美國、歐洲等。在南北兩極以及海洋、沙漠等地區(qū)缺少觀測(cè)站點(diǎn)，因此難以滿足監(jiān)測(cè)全球二氧化碳分布和濃度的需求。

用衛(wèi)星可使上述問題迎刃而解。用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)全球的二氧化碳分布情況，具有監(jiān)測(cè)范圍廣，能在全球范圍內(nèi)確定二氧化碳濃度分布的優(yōu)點(diǎn)，能快速、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)地獲取大尺度上大氣中二氧化碳的信息，進(jìn)而可提高人類對(duì)全球碳循環(huán)過程的理論認(rèn)識(shí)，改進(jìn)氣候變化預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度和穩(wěn)定性。

日美率先發(fā)射衛(wèi)星

日本和美國是世界上最先發(fā)射專門監(jiān)測(cè)二氧化碳分布和濃度衛(wèi)星的國家。

2009年1月23日，日本發(fā)射了世界首顆從太空監(jiān)測(cè)溫室氣體濃度分布的衛(wèi)星呼吸號(hào)，用于從太空搜集全球二氧化碳和甲烷濃度分布信息，為制定減排政策提供證據(jù)，并幫助科研人員進(jìn)一步了解生態(tài)系統(tǒng)究竟能吸收和釋放多少二氧化碳。

日本呼吸號(hào)衛(wèi)星飛行示意圖

呼吸號(hào)衛(wèi)星載有2臺(tái)高精度的溫室氣體監(jiān)測(cè)遙感器，其中1臺(tái)是傅里葉變換光譜儀，用于探測(cè)二氧化碳和甲烷濃度；另1臺(tái)是云/氣溶膠探測(cè)儀，用于提高溫室氣體觀測(cè)精確度。由于呼吸號(hào)衛(wèi)星技術(shù)水平有限，其所獲數(shù)據(jù)不太理想，為此，日本計(jì)劃在2017年發(fā)射更先進(jìn)的呼吸2號(hào)。

2014年7月2日，美國成功發(fā)射了軌道碳觀測(cè)2號(hào)衛(wèi)星。它裝載一種遙感器――高分辨率成像光譜儀，可獲取迄今為止最高精度的大氣二氧化碳空間觀測(cè)數(shù)據(jù)，每16天采集約800萬個(gè)全球二氧化碳高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。

美國軌道碳觀測(cè)2號(hào)衛(wèi)星飛行示意圖

軌道碳觀測(cè)2號(hào)有微光、天底、目標(biāo)三種工作模式，所提供的二氧化碳測(cè)量數(shù)據(jù)還有更廣泛的用途。例如，提供關(guān)于全球變暖的各種圖表、報(bào)告和互動(dòng)功能。

通過軌道碳觀測(cè)2號(hào)所獲數(shù)據(jù)繪制的二氧化碳平均濃度圖片

美國已計(jì)劃研制更先進(jìn)的軌道碳觀測(cè)3號(hào)，它將從世界上所有國家的上方飛過，以測(cè)量二氧化碳和甲烷的排放水平。

歐洲航天局也計(jì)劃研制一種先進(jìn)的“碳觀測(cè)衛(wèi)星”。

中國神“碳”將登場(chǎng)

我國即將發(fā)射的“碳衛(wèi)星”的全稱叫“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”。它重620千克，在距地700千米的太陽同步軌道上運(yùn)行，裝有高光譜二氧化碳探測(cè)儀和起輔助作用的多譜段云/氣溶膠探測(cè)儀，用于獲取全球尤其是我國及其它重點(diǎn)地區(qū)大氣中二氧化碳濃度分布圖，測(cè)精度達(dá)到1～4ppm（百萬分之幾），這一精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

打造中的“碳衛(wèi)星”

其原理是這樣的：由于大氣在太陽光照射下,二氧化碳分子會(huì)呈現(xiàn)光譜吸收特性,所以“碳衛(wèi)星”通過精細(xì)測(cè)量其光譜吸收線,就可以反演出大氣二氧化碳濃度，每隔16天可完成一次地球二氧化碳測(cè)繪，能分辨地面2平方千米的二氧化碳濃度。它有以下3種觀測(cè)模式：

天底觀測(cè)模式就是豎著看，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測(cè)。其空間分辨率最高的，但只有在當(dāng)太陽天頂角滿足設(shè)定要求時(shí)采用，衛(wèi)星在海洋上空時(shí)，由于信噪比低，所以觀測(cè)數(shù)據(jù)無法反演出二氧化碳濃度。

對(duì)“碳衛(wèi)星”高光譜二氧化碳探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試

衛(wèi)星在海洋上空時(shí)可采用耀斑模式，即斜著看，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)。具體說來就是當(dāng)太陽光被洋面鏡面反射時(shí)，儀器指向最亮的反射區(qū)。采用這種模式可提供足夠的信噪比，反演出高精度的二氧化碳濃度。

目標(biāo)模式用于跟蹤地面的特殊目標(biāo)(如源排放區(qū))，在約9分鐘的飛越目標(biāo)區(qū)觀測(cè)期間內(nèi)，這一模式可提供對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

我國“碳衛(wèi)星”飛行示意圖

使用多譜段云/氣溶膠探測(cè)儀,衛(wèi)星可以排除云和空氣中氣溶膠的影響,使二氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確。

發(fā)射“碳衛(wèi)星”，將使我國擁有第一手的全球遙感二氧化碳數(shù)據(jù)，極大提升我國在全球二氧化碳監(jiān)測(cè)、排放方面的話語權(quán)，為我國在氣候變化研究、國際氣候變化談判等方面提供強(qiáng)有力的支持。它也將為全球氣候變化提供更加豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分享給全球的研究者，體現(xiàn)出負(fù)責(zé)任大國的擔(dān)當(dāng)。

編輯：紀(jì)阿黎

(專家：謝博，空間探測(cè)首席傳播專家，科普中國微平臺(tái)原創(chuàng)首發(fā))