從“軌道碳觀測(cè)者”到“熒光制圖衛(wèi)星”

□ 趙斌

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年7月2日凌晨，在美國(guó)加州范德堡空軍基地，美國(guó)“軌道碳觀測(cè)者”（OCO-2）由“德爾它”2火箭成功發(fā)射，進(jìn)入高705千米、傾角98.2度的太陽(yáng)同步軌道。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量407千克，工作壽命設(shè)計(jì)為2年。

盡管人們對(duì)全球變化的機(jī)理還存在諸多分歧，但以碳為基礎(chǔ)的溫室氣體對(duì)全球氣候變化的重要影響已達(dá)成共識(shí)。在過去50多年里大氣中二氧化碳增加了近20%——這是人類歷史上最引人注目的變化。根據(jù)全球碳項(xiàng)目（GCP）的研究，大氣中二氧化碳總量一直在穩(wěn)步攀升，因此碳循環(huán)研究也就成了全球氣候變化研究的重要議題。例如，1992年簽署了旨在將大氣二氧化碳濃度穩(wěn)定在某一水平上以防止人類活動(dòng)嚴(yán)重干擾氣候系統(tǒng)的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，1997年的《京都議定書》為發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定了溫室氣體減排指標(biāo)，2008年召開的G8峰會(huì)將“低碳”這一議題推上了前臺(tái)，2009年哥本哈根氣候峰會(huì)和2010年的坎昆氣候變化大會(huì)的召開，更顯示出全球?qū)厥覛怏w排放導(dǎo)致全球氣候變化的普遍認(rèn)同。中國(guó)作為一個(gè)人口大國(guó)和能源消耗大國(guó)，在這兩次峰會(huì)上無(wú)奈地被推到了風(fēng)口浪尖上。為了達(dá)到《巴厘路線圖》的“三可”量化減排目標(biāo)（可測(cè)量、可報(bào)告、可核查）和相應(yīng)的計(jì)量方法，各國(guó)政府都迫切希望相關(guān)的科學(xué)家們能拿出切實(shí)可行的測(cè)量方法和技術(shù)，獲得足夠長(zhǎng)時(shí)間的真實(shí)可信的數(shù)據(jù)，在重大問題上保護(hù)國(guó)家的利益不受侵害。

2008年以前，全球的溫室氣體觀測(cè)站只有282個(gè)，且地區(qū)分布不均，全球的二氧化碳排放估算主要依靠陸基觀測(cè)網(wǎng)。為解決全球數(shù)據(jù)來源的問題，發(fā)展衛(wèi)星遙感觀測(cè)二氧化碳似乎勢(shì)在必行。聯(lián)合國(guó)氣候峰會(huì)鬧得最不可開交一年應(yīng)該就是2009年了，那一年，日本和美國(guó)相繼發(fā)射了旨在進(jìn)行全球溫室氣體觀測(cè)的衛(wèi)星。1月23日，日本“呼吸”號(hào)溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（GOSAT）在鹿兒島發(fā)射升空；2月24日，美國(guó)“軌道碳觀測(cè)者”（OCO）發(fā)射升空數(shù)分鐘后，由于“金牛座”XL運(yùn)載火箭的整流罩未成功分離，無(wú)法到達(dá)預(yù)定的軌道，最后墜入太平洋?？梢哉f，這次發(fā)射失敗，對(duì)氣候?qū)W家來說，損失巨大，本來他們指望用這顆衛(wèi)星來彌補(bǔ)地面上參差不齊的二氧化碳測(cè)量數(shù)據(jù)的。OCO的設(shè)計(jì)是用與二氧化碳相關(guān)的吸收曲線監(jiān)測(cè)窄幅度大氣中二氧化碳的濃度變化，生成全球碳源的分布圖。顯然，OCO可以幫助監(jiān)督一些國(guó)家是否遵守減排要求，在履行國(guó)際氣候條約中有非常重要的作用。

衛(wèi)星進(jìn)入火箭整流罩

也許是這種監(jiān)測(cè)在國(guó)際政治上的獨(dú)特意義，再次發(fā)射OCO的替代產(chǎn)品幾乎讓所有研究人員都覺得理所當(dāng)然，大家都希望在不久的將來“復(fù)制”一顆新的衛(wèi)星重新發(fā)射。當(dāng)年12月，美國(guó)國(guó)會(huì)會(huì)議委員會(huì)敦促航宇局在2010財(cái)年為替換項(xiàng)目撥出啟動(dòng)資金。2010年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）總承包“軌道碳觀測(cè)者2號(hào)”（OCO-2）項(xiàng)目，衛(wèi)星采用軌道科學(xué)公司的“低軌星”2平臺(tái)，最初的設(shè)計(jì)的確與OCO相比沒有什么太大變化。2011年，由于“金牛座”XL火箭再次發(fā)射失敗。美國(guó)航宇局倍受打擊，于是決定將OCO-2改用“德爾它”2火箭來發(fā)射。后來，又發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星本身的一些問題，只好進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，延遲發(fā)射。項(xiàng)目總費(fèi)用高達(dá)4.68億美元。

科技人員進(jìn)行最后的檢查

火箭二級(jí)組裝

與此同時(shí)，也就是在延遲發(fā)射中，有了一些意想不到的發(fā)現(xiàn)，完全改變了OCO原先的設(shè)計(jì)思路。

雖然日本“呼吸”號(hào)衛(wèi)星不能與OCO一樣制作出詳細(xì)的全球二氧化碳分布圖，但是它有類似的光譜分辨率。研究人員在處理了“呼吸”號(hào)衛(wèi)星的一些數(shù)據(jù)后，意識(shí)到要在云和氣溶膠的干擾下測(cè)量二氧化碳，必須確定并去掉一些熒光信號(hào)。另外，在某些場(chǎng)合下看似噪音的東西也可能是另一種信號(hào)，這催生了一種新的技術(shù)——葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量科學(xué)時(shí)代到來了。

專家們發(fā)現(xiàn)，通常測(cè)定光合作用的參數(shù)（如綠度和葉面積）似乎是有問題的——因?yàn)?，常綠林全年都是綠色的，即使冬天它只吸收很少的碳，綠色也沒有太大變化；相比之下，植物只有在進(jìn)行光合作用時(shí)才會(huì)發(fā)出熒光，所以這種發(fā)光直接反映了植物吸收二氧化碳的量。在今年3月份發(fā)表于PNAS上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)玉米種植帶的熒光峰值比世界上其他地方都要亮，而以前的氣候模型可能低估該地區(qū)50%～75%的碳吸收量。

熒光測(cè)量也幫助解決了一個(gè)長(zhǎng)期存在的爭(zhēng)論，那就是亞馬遜雨林如何應(yīng)對(duì)干旱。因?yàn)轭A(yù)計(jì)隨著全球逐漸變暖，干旱發(fā)生頻率可能更高。一些科學(xué)家認(rèn)為，亞馬遜致密樹冠的光合作用不僅受到水而且還有光的限制，因此在干旱期增加光照會(huì)導(dǎo)致“綠化”（greening up）。

另一篇2013年基于“呼吸”號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)表在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B》上的論文顯示，在旱季，亞馬遜的一些地區(qū)熒光和光合作用都下降了，而另一個(gè)指示產(chǎn)量的參數(shù)葉面積指數(shù)卻達(dá)到了峰值。也就是說，葉綠素?zé)晒庵茍D變得更加重要，有科學(xué)家認(rèn)為，這是衛(wèi)星最具創(chuàng)新性和革命性的觀測(cè)任務(wù)。

其實(shí)，植物生理學(xué)家早在幾十年前就已知道葉綠素?zé)晒庑裕喝~綠素溶液在透射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色，這種現(xiàn)象稱為葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象，葉綠素?zé)晒庖脖环Q為光合作用的探針。然而，要從太空進(jìn)行熒光制圖還是困難重重，因?yàn)檫@微弱的信號(hào)要穿過地球環(huán)繞的濃密大氣層?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)可以對(duì)所獲得的最清晰葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行深入研究了，可用于計(jì)算全球植被是如何吸收二氧化碳的。如果結(jié)合GOSAT和OCO-2制圖可獲得一個(gè)特定地區(qū)的二氧化碳凈交換。有了熒光信號(hào)，研究人員可以進(jìn)行更深入探討，利用兩個(gè)組分得到生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳的凈交換：通過光合作用吸收的碳和通過呼吸作用損失的碳，而且他們可以觀察這些因素在不同氣候條件下隨時(shí)間的變化情況。通過精確制圖，可以糾正全球碳收支計(jì)算中因數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性，這樣提供了一種新的工具來評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化干熱脅迫下的表現(xiàn)?，F(xiàn)在看來，在OCO失敗后一個(gè)漫長(zhǎng)的等待，讓衛(wèi)星具備了嶄新的能力，是值得的！

熒光測(cè)量的應(yīng)用可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出氣候科學(xué)研究本身。熒光制圖還可以評(píng)估錯(cuò)落有致的田地中不同作物的生產(chǎn)力，可能對(duì)全球作物產(chǎn)量進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，以及它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)干旱和熱浪，這對(duì)了解生態(tài)系統(tǒng)如何適應(yīng)氣候變化來說是非常有價(jià)值的信息。在不斷變化的氣候中，我們是否在正確的地方種植了正確的作物？未來，歐洲空間局的熒光探索者項(xiàng)目（FLEX）將開發(fā)300米分辨率的傳感器，耗資1億歐元的FLEX項(xiàng)目是2015年歐洲空間局兩份備選發(fā)射任務(wù)之一。

新聞速遞

OCO-2加入“午后”星座

藝術(shù)家筆下OCO-2透過陽(yáng)光反射的二氧化碳探測(cè)模型（紅色代表氧原子，灰色代表碳原子）

OCO-2將加入號(hào)稱軌道列車（A-Train）的“午后”星座，與其他5顆觀測(cè)地球大氣層的衛(wèi)星組成編隊(duì)，形成良好的互為佐證、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的工作平臺(tái)。

因?yàn)檫@些衛(wèi)星都是采用太陽(yáng)同步軌道，每天下午過境，所以稱為“午后”星座。 “午后”星族衛(wèi)星在同一軌道像列車一樣運(yùn)行，相隔數(shù)分鐘不等，相繼飛過。前5顆衛(wèi)星總共攜帶了多于15種科學(xué)儀器，分別觀測(cè)地球大氣中的輻射、云、氣溶膠、降水和碳等。OCO-2的加盟，有利于整個(gè)星座的衛(wèi)星數(shù)據(jù)互相佐證。

OCO-2觀測(cè)器將對(duì)地球陸地和水體上的大氣進(jìn)行均勻采樣，每天對(duì)陽(yáng)光照射的半球收集超過10萬(wàn)個(gè)精確的重點(diǎn)取樣?？茖W(xué)家們?cè)谟?jì)算機(jī)上將利用這些數(shù)據(jù)生成地表二氧化碳釋放和吸收?qǐng)D。這些區(qū)域尺度的地圖將為定位和識(shí)別二氧化碳源和匯提供新的工具。OCO-2也將測(cè)量太陽(yáng)誘導(dǎo)的熒光現(xiàn)象，這是一個(gè)植物生長(zhǎng)與健康的度量指標(biāo)。在植物進(jìn)行光合作用時(shí)，它們吸收二氧化碳并發(fā)出熒光，這個(gè)光非常非常微弱，一般肉眼是看不見的。因?yàn)楣夂献饔迷蕉?，轉(zhuǎn)化的熒光也就越多，來自O(shè)CO-2的熒光數(shù)據(jù)將有助于對(duì)植物吸收二氧化碳進(jìn)行新的闡述。

OCO-2通過觀測(cè)二氧化碳對(duì)太陽(yáng)光的影響來測(cè)定二氧化碳含量。當(dāng)光線穿過大氣層，二氧化碳和其他一些氣體分子會(huì)吸收光譜中特定頻率的光，光譜中呈現(xiàn)出一些狹窄的縫隙。如圖，如果光穿越空氣柱的時(shí)候被吸收得越多，說明那種氣體的濃度越高。在某些情況下，這可能表明空氣下面的地球表面包含一個(gè)二氧化碳源，比如一個(gè)大的工業(yè)城市。更少的二氧化碳意味著是一個(gè)碳匯，會(huì)吸收二氧化碳，比如生長(zhǎng)季節(jié)的茂密森林。

OCO-2探測(cè)器攜帶一個(gè)由三種光譜儀組成的儀器，測(cè)量不同區(qū)域的光譜。其中一個(gè)光譜儀觀測(cè)氧分子的光譜，稱為A-波段光譜。因?yàn)檠醴肿邮谴髿庵邢鄬?duì)穩(wěn)定的成分，可用于測(cè)量大氣中其他氣體如二氧化碳的參考。除了校準(zhǔn)二氧化碳濃度這個(gè)關(guān)鍵任務(wù)，還告訴科學(xué)家們有多少陽(yáng)光被氣溶膠和云吸收或反射了。

通常在陽(yáng)光到達(dá)地面之前，大氣層中的云和氣溶膠就會(huì)反射掉一些陽(yáng)光，這不僅縮短了陽(yáng)光的路徑并會(huì)與地表反射的光混淆起來。通過和“午后”星座中的“云霧激光雷達(dá)和紅外線引導(dǎo)衛(wèi)星觀測(cè)”衛(wèi)星（CALIPSO）和“探云”衛(wèi)星（CloudSat）有關(guān)云和氣溶膠的高度數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證，正好可以彌補(bǔ)這一缺陷。星座中研究水循環(huán)的“水”衛(wèi)星（ Aqua）也可跟蹤云層，測(cè)量空氣的溫度和大氣中水分總量。有了這些細(xì)節(jié)，OCO-2將對(duì)地球表面附近的大氣二氧化碳濃度進(jìn)行極其精確的測(cè)量，可以預(yù)計(jì)，OCO-2將會(huì)使全球研究二氧化碳和全球碳循環(huán)進(jìn)入新的高度，并為制定如何適應(yīng)和減少未來氣候變化的政策奠定基礎(chǔ)。

觀測(cè)地球大氣層的“午后”星座系列（因?yàn)檫@些衛(wèi)星都是采用太陽(yáng)同步軌道，每天下午過境，所以稱為“午后”星座）