地球大氣環(huán)境的偵察兵

沈羨云

2016年12月22日3時22分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號運載火箭成功將“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星”（簡稱“嗅碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。這是繼日本“呼吸”號衛(wèi)星、美國“軌道碳觀測者”2號（OCO-2）衛(wèi)星之后，全球第三顆嗅碳衛(wèi)星。該衛(wèi)星的成功研制和后續(xù)在軌穩(wěn)定運行，將使我國初步形成針對全球、中國及其他重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度進行監(jiān)測的能力。為什么要發(fā)射嗅碳衛(wèi)星？嗅碳衛(wèi)星如何嗅碳？我國發(fā)射的這顆嗅碳衛(wèi)星有哪些先進技術(shù)？

為什么要發(fā)射嗅碳衛(wèi)星

嗅碳衛(wèi)星是人造地球衛(wèi)星中專門測量地球二氧化碳濃度的衛(wèi)星。嗅碳衛(wèi)星對二氧化碳濃度的測量精度能夠達到百萬分之一，是人們掌握高精度二氧化碳測量數(shù)據(jù)的得力“助手”。借助衛(wèi)星上攜帶的光譜儀等儀器，科學(xué)家們可以動態(tài)測量大氣中不同來源的二氧化碳，監(jiān)測海洋和森林等對二氧化碳的吸附情況。

為何要通過衛(wèi)星來追蹤二氧化碳？人類目前每年因使用礦物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)焚燒等行為每年共排放二氧化碳達55億噸。過去50年來，人類活動已導(dǎo)致大氣中的二氧化碳水平升高了近20%?？茖W(xué)界認為，人類活動使自然界的碳循環(huán)失衡，以二氧化碳為主的溫室氣體是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素。因此，全球二氧化碳排放亟須更精確的監(jiān)測研究。

目前，人類對二氧化碳掌握的知識體系還不健全，還有許多疑問待解決，例如，二氧化碳聚集在哪個區(qū)域、哪個大氣層及其在大氣中的運動和分布規(guī)律;溫度怎樣影響二氧化碳運動;自然界天然排放的二氧化碳所占比例是多少，這一比例如何變化以及海洋系統(tǒng)如何吸附二氧化碳;這些都能夠由嗅碳衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進一步證實。所以，通過嗅碳衛(wèi)星來掌握二氧化碳在各地區(qū)的循環(huán)和分布情況是研究氣候變化的一條捷徑。

嗅碳衛(wèi)星如何“嗅碳”

我國研制的這顆嗅碳衛(wèi)星，搭載了一臺高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。這臺探測儀的工作原理是，在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度。簡單來說，就是通過看“顏色”來識別二氧化碳氣體。因為太陽光經(jīng)過空氣時，二氧化碳分子對許多精細的顏色有不同程度的吸收，嗅碳衛(wèi)星通過精細測量其光譜吸收線，可以通過光學(xué)儀器對這些色彩進行非常精準的測算，從而能反向推算出二氧化碳分子數(shù)量，最終得知大氣中的二氧化碳濃度。

中國的嗅碳衛(wèi)星

具有哪些先進技術(shù)

盡管中國的嗅碳衛(wèi)星是個只有幾百千克重的小衛(wèi)星，卻有著許多“高精尖”技術(shù)。

1.極高的靈敏度

二氧化碳濃度變化很快，但從數(shù)字上看，平均每年也只是在零點幾個ppm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。中國的嗅碳衛(wèi)星上裝著一個靈敏度很高的二氧化碳探測儀。幾十納米的帶寬上，人眼看是一個顏色，而通過二氧化碳探測儀的2000多個通道，可以將這些微小差異的顏色區(qū)分開來，可以發(fā)現(xiàn)1～4個ppm二氧化碳濃度的變化，這不亞于美國OCO-2的水平。它是嗅碳衛(wèi)星搭載的主載荷，可通過獲取高精度的大氣吸收光譜，應(yīng)用反演算法計算出二氧化碳的濃度。此外，中國嗅碳衛(wèi)星上還有一個連美國OCO-2衛(wèi)星上都沒有的云和氣溶膠探測儀，它可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度排除干擾因素，還可為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。

2.繪制覆蓋全球的二氧化碳監(jiān)測圖

有了嗅碳衛(wèi)星，如何算出全球范圍內(nèi)的二氧化碳排放也是個難題。全球范圍內(nèi)二氧化碳的流動情況是怎么樣的？它是從哪里排放出來的，又在哪里被植被、海洋等吸收？這就需要把嗅碳衛(wèi)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。我國科學(xué)家已攻破了這方面的難題。

3.復(fù)雜的反演驗證系統(tǒng)

反演驗證系統(tǒng)是獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)后通過模型反算出二氧化碳濃度，這也是技術(shù)難點。以往氣象衛(wèi)星所涉及到的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而嗅碳衛(wèi)星所涉及到的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機理不同，難度加大。我國集中國內(nèi)優(yōu)勢力量聯(lián)合攻關(guān)，終于成功填補了國內(nèi)有關(guān)技術(shù)空白。

4.穩(wěn)定的舞步

嗅碳衛(wèi)星只有一只“眼睛”，它需要不停轉(zhuǎn)換角度來完成對不同方向的觀測。所以衛(wèi)星要不斷地調(diào)整姿態(tài)，就像跳優(yōu)美的華爾茲。這種沒完沒了、靈活多變的觀測模式是衛(wèi)星領(lǐng)域科學(xué)家最忌諱的——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？為了特定的科學(xué)目標(biāo)，我國科學(xué)家解決了嗅碳衛(wèi)星在天上不斷“做動作”的難題。

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“嗅碳”家族三成員

由于技術(shù)難度極高，目前世界上僅有3顆嗅碳衛(wèi)星在太空中工作，分別是觀測大氣中二氧化碳和甲烷等濃度的日本“呼吸”號、專門測量大氣中二氧化碳濃度的美國“軌道碳觀測者”2號以及我國新發(fā)射的首顆嗅碳衛(wèi)星。

世界首顆溫室氣體觀測衛(wèi)星——日本“呼吸”號于2009年1月23日發(fā)射升空，配備高精度的傳感器觀測地球上二氧化碳等溫室氣體的濃度。

相比于日本的一鳴驚人，美國的嗅碳衛(wèi)星研究之路則顯得略微曲折。2009年2月，美國躍躍欲試，嘗試發(fā)射首顆嗅碳衛(wèi)星，但在發(fā)射升空過程中，運載火箭發(fā)生故障墜毀在南極附近海域。在查清原因后，美國國家航空航天局在2014年7月2日發(fā)射“軌道碳觀測者”2號，主要使命是監(jiān)測研究地球大氣中的二氧化碳濃度水平。其中的“秘密武器”是3臺高分辨率光譜儀，科學(xué)家可以通過這些儀器估算大氣中二氧化碳等物質(zhì)的相對濃度，以實現(xiàn)對地球大氣二氧化碳水平更精確、全面的測算，并更準確地預(yù)測氣候變化。

【責(zé)任編輯】蒲暉