二氧化碳排放幾何，中國衛星將開出全球賬單

在這個霧霾鎖城的冬季，我們對原本難以感知的氣候變化，有了切膚體會：全球變暖、溫室效應、極端天氣等等，這些不時敲打人類文明的“大詞”，如今，竟離我們每個生命個體如此之近。

別再肆無忌憚地排放了――面對這般嚴峻形勢，人類發出疾呼。全球上百個國家的元首簽下名字，承諾所屬國減少二氧化碳等溫室氣體排放。不過，減排的一個技術前提，是排放的量化監測，而這，是個科技難題。今天凌晨，我國在酒泉成功發射的第一顆碳衛星，就是中國派往地球之上監測全球溫室氣體排放的太空使者。

這是繼日本GOSAT衛星、美國OCO 衛星之后，全球第三顆“嗅碳”衛星。那么，這顆并非全球唯一、在排名上也并不領先的衛星，對重點地區乃至全球的大氣二氧化碳濃度監測能力究竟有多大，對我國在國際氣候變化方面的話語權又將有多大的提升?中國青年報?中青在線記者采訪相關專家進行解讀。

為何要到外太空去跟蹤二氧化碳

說起二氧化碳，這個曾頻繁出現在中學課本里的氣體名詞，人們并不陌生。這是空氣中常見的溫室氣體。

根據碳衛星首席應用科學家、中國氣象局國家衛星氣象中心總工程師盧乃錳的說法，二氧化碳就像是給地球套了一層薄膜，能將太陽送到地球的熱量吸收并緩慢釋放，讓薄膜內變得暖烘烘的，即產生所謂的“溫室效應”。

當薄膜增厚，熱量就不易擴散出去，在過去的幾百億年中，這樣的環境讓地球溫度適宜升高，并孕育生命。

然而，自工業革命以來，人類向大氣中排入的溫室氣體逐年增加，溫室效應隨之增強，諸如森林砍伐、礦物燃燒等正迅速打破原有的溫度平衡，放大了大氣的保溫效應。這也成了過去的100年中，全球平均氣溫上升了0.7℃左右的主要原因。

0.7℃，這個和我們日常溫度相比毫不起眼的數字，一旦放到另一個坐標系里去，就顯得異常嚴峻。科學論證表明，如果全球平均氣溫的升溫超過2℃，地球上的生命將岌岌可危。事關全球氣候治理的《巴黎協定》，也將升溫的目標控制在遠低于2℃的范圍內。

那么，如何控制?

減排。

如何確認減排?

有效的監測。

這個邏輯推演并不難，難是“有效的”三個字。

事實上，早在150年前，人類就開始對二氧化碳進行地面觀測。直到2010年前后，全球范圍內的地面觀測站依然有200多個，但根據專家的說法，依靠它們無法畫出一張全球二氧化碳分布圖。

盧乃錳甚至發現，有的國家只是通過化石燃料燃燒數量、效率，來計算二氧化碳排放量，這其中就有很大的不確定性。更為棘手的是，這些統計更多的是世界各地的各自統計，很難弄清全球二氧化碳的分布、排放情況和變化趨勢。

但如果有一顆掛在地球之上的衛星，每天都在繞著地球跑圈，盧乃錳說，經過幾個月，就能把全球每個角落的二氧化碳情況都看到。

碳衛星計劃應此而生。

事實上，氣候和氣候變化導致人類生存條件的變化，已不僅是科學問題，更是世界各國政府共同關注的政治問題、經濟問題和外交問題。這也是為何繼日、美之后，中國依然要發射自主研制的碳衛星。

正如科技部國家遙感中心總工程師李加洪所說，中國政府研制并發射碳衛星，對全球大氣中二氧化碳濃度進行動態監測，進而給出全球碳分布數據，不僅是中國應對全球氣候變化采取的積極行動，而且也體現了負責任大國的擔當。

如何算出二氧化碳排放這本賬

碳衛星工程副總指揮、中科院國家空間科學中心副主任龔建村說得更為直白，“別人有，不代表我們就不需要了，別人有，我們更要有。”

在他看來，要科學發展，就必須有科學數據的支持，未來，一旦進行碳交易，不能人家說多少就是多少，二氧化碳排放量這本賬要算清楚。如今，碳衛星的成功發射，將大大提升中國在國際氣候變化方面的話語權。

要造出這樣一顆衛星并不容易。

自從2009年哥本哈根世界氣候大會之后，全世界都在持續關注二氧化碳問題，同一年，日本發射了碳衛星GOSAT，美國在經歷了一次失敗后，鍥而不舍，最終在2014年發射了碳衛星OCO 。

盡管碳衛星是個只有幾百公斤重的小衛星，卻有著令人望而生畏的技術難度，尤其是靈敏度。

根據碳衛星載荷系統CO 探測儀負責人、中科院長春光機所研究員鄭玉權的說法，當前CO 濃度變化很快，但從數字上看，平均每年也只是在零點幾個ppm(濃度單位，記者注)到1個ppm之間變化，想把信號探測出來，儀器靈敏度不高的話，只能作罷。

中國碳衛星做到了。鄭玉權說，幾十納米的帶寬上，人眼看是一個顏色，而通過CO 探測儀的2000多個通道，碳衛星就具備了微小差異顏色的區分能力，其靈敏度可以發現1到4個ppm二氧化碳的變化，這不亞于美國OCO 的水平。

有了碳衛星，如何算出全球范圍內二氧化碳排放這本賬，也是個難題。根據專家的說法，要獲得一張覆蓋全球二氧化碳監測圖，需要碳衛星在太空跑2到3個月。

那么，3個月后，全球范圍內二氧化碳的流動情況是什么樣，即通量如何;它是從哪里排放出來的，又在哪里被植被、海洋等吸收，也就是通常所說的“源、匯”情況，又是如何?

盧乃錳表示，“通量”、“源”、“匯”這三者間有關系，但沒有一個數學方程能說明“濃的地方就是源，通量就高;稀的地方就是匯，通量就低”。

這就需要把碳衛星獲得的二氧化碳遙感濃度，嵌套進大氣二氧化碳傳播模型中。分步驟來看，首先，要有一個大氣的模型，勾畫出大氣的流場，描述風往哪兒吹。然后，由碳衛星告訴大家，二氧化碳濃度是怎么分布的。在此基礎上，科學家們進行推算，這種濃度下，它會吹到什么地方去，通量是多少。

盧乃錳說，如果多幾個頻次觀測，就能最終知道是什么地方排放了這些二氧化碳。比如一個城市吹出去的二氧化碳多，吹進來的少，那毫無疑問，這個地方肯定有排放。

如何跟蹤、尋找二氧化碳?

這一切的前提是，碳衛星能夠在太空上監測、即能夠“看到”二氧化碳。

鮮為人知的是，這顆衛星雖然名曰“碳衛星”，卻并不能直接“看到”二氧化碳在哪里，而是要借助太陽光的照射，去跟蹤經大氣散射出來的光，間接地反演出大氣二氧化碳濃度。

一般來說，太陽光分為赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色譜，但事實上，太陽光的色譜遠不止這些。太陽光經過大氣，總有一些“特定的頻點”被其中聚集的二氧化碳吸收。

盧乃錳說，在反射或散射出來的光中，如果“特定的頻點”很弱，那么可以推斷，這里的二氧化碳分子比較密集;反之，“特定頻點”很強，則可推斷二氧化碳分子較少。在這個過程，碳衛星就扮演眼睛的角色，去判別“強”或者“弱”，科學家據此結論，再進行他們通常所說的“反演”。

碳衛星發射

說起碳衛星的眼睛角色，就不得不提它所搭載的兩個載荷：二氧化碳探測儀、云和氣溶膠探測儀。前者是主載荷，通過獲取高精度的大氣吸收光譜，應用反演算法計算出二氧化碳的濃度。后者可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO 濃度剔除干擾因素，還可為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

根據碳衛星系統總設計師、中科院微小衛星創新研究院研究員尹增山的說法，碳衛星要想進行全球觀測，還需要實現靈活的觀測模式，如此才能對全球陸地和海面路徑上CO 的吸收光譜進行精確測量。

這種靈活多變的觀測模式，形象地說，即需要碳衛星頻繁調整姿態，在太空翩翩起舞：斜著，調整到耀斑觀測模式，豎著，調整到天底觀測模式。

比如，當碳衛星飛過海洋時，身子靈活一轉，斜著身子，看太陽打在海面上的光斑，這就切換到了耀斑觀測模式。

事實上，衛星領域的科學家最忌諱的，就是讓衛星有沒完沒了的動作：畢竟是在太空，沒有任何著力點，要是翻過去翻不回來了怎么辦?尹增山說，恰恰是為了特定的科學目標，科學家解決了碳衛星在天上不斷做動作的難題。

一旦碳衛星的“判斷力”有所下降，科學家也會幫它“調整”。當要確認“強信號”觀測準確與否時，就定標太陽：轉個身子，盯著太陽看，因為太陽的光譜、輻射強度比較穩定，可以拿它和碳衛星觀測的強度進行比較;要確認“弱信號”時，就讓碳衛星盯著光譜同樣穩定的月亮看。

形象地說，即在太空舞步之前，先對著鏡子打扮打扮，白天跳舞對著太陽照鏡子，名曰“對日定標”，夜里跳舞對著月亮照鏡子，名曰“對月定標”。

如今，碳衛星已經飛向距離地面幾百公里外的太空軌道。尹增山說，在經過一段時間的在軌測試后，碳衛星將開始長達3年的工作，每天記錄時間長達10小時。讓我們共同期待這顆中國星，早日帶來一手的二氧化碳數據。