“碳”秘之旅：碳卫星与二氧化碳的较量

王麟

在长达数千年的人类社会发展史中，原始的农耕和游牧文明主要是通过畜力、水力和风力作为原动力，水平低下的生产力对环境影响甚微，人类活动产生的二氧化碳对大气的破坏可以忽略不计。然而，进入18世纪之后，伴随着英国工业革命兴起，世界进入了利用机械能和电能时代，社会发展进入快车道。两百多年间，因为人类活动排放的二氧化碳浓度逐年增加，对大气的破坏与影响越来越严重，并且导致了温室效应，全球极端天气频频爆发，造成巨大的生命财产损失。气候的剧烈变化成了悬在人类头上的一把利剑，再不做出改变，未来将不堪设想。那么我们该如何绝地反击，来打胜这场环境保护攻坚战呢？

二氧化碳成了环境难以承受之重

生活在当代，相信很多人对每年不期而至的极端气候刻骨铭心，严寒与酷暑，飓风与海啸，干旱与洪涝，这些自然灾害破坏力惊人，造成的损失不可勝计。其实这一切的罪魁祸首都与温室效应有关。所谓温室效应，是指大气中的水汽、二氧化碳、氧化亚氮、甲烷以及臭氧等气体，吸收和发射红外辐射，造成地表升温的效应。据研究，上述这些气体对太阳短波辐射吸收很少，而对大气长波辐射吸收很强，当空气中温室气体的含量增加，就会改变大气的热量平衡，从而影响地气系统的辐射平衡，导致大气低层和地表的平均温度上升，从而对全球气候的变化造成直接影响。

在温室气体中，二氧化碳虽然占比约0.031%，在空气成分中排名第三，但是却对温室效应贡献了30%的力量。所以，研究和控制温室效应，二氧化碳是首要目标。而化石燃料的燃烧和其他相关的人类活动，每年向大气中排放二氧化碳300亿吨，如果从工业革命开始算起，200多年间排放到大气中的二氧化碳，已经累计高达3000亿吨，浓度达到了80万年来最高水平。根据全球气温监测数据可知，从20世纪50年代开始，约有50%以上的地表气温升高，而温室气体在1951年到2010年的60年中，为地表温度上升贡献了0.5℃～1.1℃。二氧化碳与温室效应的密切相关度，让这种气体成了环境的不可承受之重。

要想应对温室效应，必须将全球大气中二氧化碳浓度的准确数据和未来变化情况了然于心，也就是说，最好有一幅全球二氧化碳浓度分布图，才能对症下药。想法虽然很好，然而，要想绘制这张图的难度却超出了我们的想象。原因为何？那就是以前的监测手段比较落后，无法获得全球大气中二氧化碳浓度的全面而准确的数据。

世界各国的科学家为了获取大气中二氧化碳的浓度数据也是绞尽了脑汁，目前，通行的检测方法一共有3种，分别是地基、空基和星载模式（卫星遥感模式）。

所谓“地基”检测模式，就是在地面建立多个观测站，观测和记录二氧化碳浓度。这种方法发端于1957年，由美国科学家查尔斯·基林在夏威夷的莫纳罗亚山上，建立起全球首个大气二氧化碳浓度监测站，开启了全球二氧化碳监测的先河。如今这项工作是由美国国家海洋和大气管理局的地球系统研究实验室承担，具体而言是由美国阿拉斯加州的巴罗天文台、夏威夷的莫纳罗亚天文台、萨摩亚群岛天文台和南极洲上的天文台共同承担检测大气中不同气体成分变化情况的任务，同时，还承担全球气体采样网络、提供大气中二氧化碳空间变化情况的任务。目前，全球设置二氧化碳地面观测点300多个，大部分位于美国和欧洲，对于美国和欧洲之外的广袤地区，包括海洋和沙漠，因缺乏站点，无法做到有效监测。

而“空基”二氧化碳检测方法，是利用飞机在科学家们指定的区域内进行观测，精度可达0.1ppm～0.2ppm。如今的美国飞机参与了多个项目的空基测量，而日本的空基测量则是利用商用飞机飞往澳大利亚、夏威夷、欧洲、北美和亚洲等国的机会，在飞机上搭载探测仪器进行温室气体的测量。除了利用飞机之外，热气球也是在大气底层中开展空基测量的好帮手。

然而，地基和空基测量方法都存在明显的局限性。比如地基测量技术存在空间覆盖度低、容易受到沙漠和高山等地形条件影响的问题，且地面观测基站的维护成本较高，无法获取大范围的二氧化碳浓度信息。而空基测量技术只有依托飞机和热气球等交通工具才能实施，也很容易受到恶劣气候的影响，同时飞机和热气球的航线也是固定的，使得二氧化碳测量范围狭窄，只能获取局部二氧化碳浓度数据，尚不能完成对全球大气中温室气体的浓度测量，更遑论绘制全球二氧化碳浓度分布图了。而此时，第三种办法就派上用场了，那就是“星载（卫星遥感）检测技术”。

二氧化碳星载检测技术的先行者

星载检测技术会脱颖而出，力压群芳，究竟靠的是哪些压倒性的优势呢？

原来，星载检测技术是通过卫星平台，对地球大气层中的二氧化碳进行浓度检测，绘制全球二氧化碳的浓度图，为科学家们研究气候变化产生的影响提供数据支持。这个卫星平台就是我们俗称的“碳卫星”，即全球二氧化碳监测科学实验卫星。它可以实时捕捉大气的二氧化碳浓度，具有统一、连续、覆盖范围厂的优势。

然而，星载检测技术虽然很高端，能够对全球大气的变化进行监测，但是也注定了这种技术实现难度之大。难到何种程度？全球目前只有日本、美国和中国掌握了这项技术。其中，美国和日本是星载技术的开拓者，采用的技术均基于“日光反射式被动探测原理”，即利用卫星上的望远镜，收集穿越大气层后由地表反射的太阳光，当反射光进入光学系统之后，对其二氧化碳的吸收光谱进行分析，进而得到全球二氧化碳的分布图。

美国的碳卫星OCO由美国加州理工大学喷气推进实验室负责研制，这是美国国家航空航天局（NASA）地球系统科学开发计划的重要组成部分。这颗碳卫星号称是测量大气中的二氧化碳浓度空间分辨率最高、测量数据最精准的卫星，卫星的测量采样率每天高达50万～100万次；视场分辨率为3平方千米，这里所说的“视场”，指的是卫星摄像头能够观察到的最大范围，视场越大，观测范围就越宽；卫星的二氧化碳光谱分辨率为20000，精度高达1ppm+2ppm。

美国发射碳卫星一波三折，2009年第一颗碳卫星OCO的发射，因为整流罩未能与第三级火箭分离，发射失败，卫星坠毁，星载技术遭受巨大挫折。随后，美国继续研制了碳卫星OCO-2，一直拖延到2014年才发射成功，总造价高达4.68亿美元。

相比之下，日本的第一颗碳卫星GOSAT发射就顺利得多，这颗卫星是日本宇宙航空研究开发机构、日本环境部和日本国家环境研究院联合研发而成的，搭载1台傅里叶变换光谱仪，用于探测二氧化碳和甲烷浓度，还搭载1台云（气）溶胶探测仪，用于提高温室气体观测精确度。它于2009年1月23日发射成功，至今服役7年时间，已经快要达到设计年限。

我国的TANSAT碳卫星后来居上

美日两国发射的碳卫星为全球范围内监测大气中的二氧化碳浓度作出了开创性贡献，这是毋庸置疑的。然而，不管是美国发射的OCO碳卫星，还是日本发射的GOSAT碳卫星，都存在技术上的不完美之处。就拿日本的GOSAT碳卫星而言，它每天的有效观测点只有300多个，相当于在地球的几十万平方千米范围内只有一个观测点，并且最小只能探测到10千米范围内大气中二氧化碳的平均值，测量精度和范围都不是太高。

鉴于美日两国碳卫星技术的不完美，我国的科学家们对自主研发的TANSAT碳卫星进行了20多项关键技术攻关，克服了重重困难，终于让卫星的技术水平上了一个台阶。2016年12月22日，在酒泉卫星发射中心，TANSAT碳卫星被成功发射。

我国发射的碳卫星的全称叫“全球二氧化碳监测科学试验卫星”，质量为620千克，在距地700千米的太阳同步轨道上运行，装有高光谱二氧化碳探测仪和多谱段云（气）溶胶探测仪，用来获取全球包括我国重点地区大气中二氧化碳浓度分布图，测量精度为1ppm～4ppm，达到了国际先进水平。

与日本的碳卫星相比，我国碳卫星的扫描宽度是20千米，是日本卫星的两倍，同时有效采样点数也比日本卫星高出10倍以上。碳卫星上专门搭载一台多谱段云（气）溶胶探测仪，这是美国的碳卫星没有的，这台仪器非常重要，可以在观测二氧化碳的同时，对大气中的气溶胶进行联合观测，主要是为了解决二氧化碳监测的噪音干扰问题。

TANSAT碳卫星的关键技术

我国的TANSAT碳卫星研发开始于2011年，其研发的核心动力，是为了打破国外的技术垄断，掌握更多的话语权，同时为应对全球气温变暖献计献策，最终做到资源共享，为全人类的福祉作出贡献。2011年，国家启动实施863计划“十二五”重大项目“全球二氧化碳监测科学试验卫星与应用示范”研究，由中科院国家空间科学中心负责工程总体组织实施，中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统，中科院长春光学精密机械与物理研究所研制有效載荷，中国气象局国家卫星气象中心负责地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统的研制、建设和运行。

我国TANSAT碳卫星装载的高光谱二氧化碳探测仪有2000多个通道，光谱解析度极高。它的工作原理是，大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性，碳卫星通过精细测量二氧化碳的光谱吸收线，就可以反演出大气二氧化碳浓度。卫星每隔16天可完成一次地球二氧化碳测绘，从而能测量地面2平方千米范围内的二氧化碳浓度。

当碳卫星采集到原始数据后，通过设置在地面的应用系统，对卫星观测资料进行接收、汇集和加工处理。碳卫星观测完成的全球大气二氧化碳浓度的原始数据，将被传送汇集至中国气象局国家卫星气象中心，研究人员再将数据进行定位、光谱定标和辐射定标处理，产生高精度的高光谱分辨率辐射信号。随后，结合地面监测站的历史数据，再对信号进行反演，最终得到精度在]ppm～4ppm的全球二氧化碳浓度数据。

由于碳卫星的技术难度高，我国的科学家们几经周折，才攻克了最关键的200毫米×200毫米的大面积衍射光栅技术和光谱仪器的定标技术。其中大面积衍射光栅技术由中科院长春光机所研制成功，观测精度达到了原子级别，可以对二氧化碳的吸收光谱进行细分，能够探测2.06微米、1.6微米、0.76微米三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04纳米，如此高的分辨率也创造了国内光谱仪器的最高纪录。

另外，TANSAT碳卫星毕竟在真空中运行，时间一长，搭载的测量设备就会因为部件老化和温度不断变化等原因，影响到测量仪器的精度，此时，必须采用定标技术对测量仪器进行精调，才能保障卫星的正常工作。而光学遥感定标技术，也是光谱仪器最终实现精度的关键技术，这种定标系统就犹如一杆秤的刻度，刻度越精准，测量精度越高。

除此之外，TANSAT碳卫星还需要解决另外一项关键技术，那就是让卫星根据需要，不停地调整观测角度和位置，保证卫星能用不同的观测模式开展工作。比如，碳卫星可以竖着看、斜着看和盯着看。所谓“竖着看”，指的是天底观测模式，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测；而“斜着看”，就是耀斑观测模式，利用太阳光在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据；那么“盯着看”，顾名思义就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测，完成预定的任务。

（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）