閃耀世界的中國奇跡

王麟

推薦詞：天宮遨游、蛟龍?zhí)胶?、天眼探空、悟空探秘、墨子傳信、大飛機上天……這些中國干成的令人振奮的大事，讓世界的目光再次聚焦東方，更令全國人民生出無限的自豪感。那這些大事到底是怎么做成的呢？它們分別遇到過哪些難題呢？《閃耀世界的中國奇跡》一書翔實地講述了它們的故事。《閃耀世界的中國奇跡》分“天文·宇宙篇”“航天·氣象篇”“通信·信息篇”“海洋·材料篇”“航空·交通篇”五部分，共介紹了19項閃耀世界的科技成就。通過本書，同學(xué)們不僅能了解這些科技成就，感受祖國的強大，增強民族自信心，還能看到這些輝煌成就背后科學(xué)家們付出的汗水與努力，從而更加尊重科學(xué)、熱愛科學(xué)。

2018年1月，一場罕見的低溫風(fēng)暴襲擊了美國東海岸，一時間冰天雪地，其中就有令人膽寒的“炸彈氣旋”，其巨大威力使得局部地區(qū)的氣溫接近-50℃。有人夸張地說，體感溫度甚至比火星還要冷。美國當(dāng)局警告，裸露的皮膚在空氣中暴露10分鐘就會被凍傷。暴風(fēng)雪導(dǎo)致交通大癱瘓，紐約最繁忙的肯尼迪國際機場幾乎停擺，全美有3400多趟出入境航班延誤。放眼望去，無論是高樓大廈，還是巍峨大橋，都變成了面目猙獰的冰雪怪獸，讓人仿佛進入了災(zāi)難電影《后天》的可怕場景之中。這就是可怕的極端天氣對城市的襲擊和蹂躪。

除了嚴寒，還有酷暑，還有颶風(fēng)與海嘯、干旱與洪澇，這些自然災(zāi)害破壞力驚人，造成的損失不可勝計。其實這一切都與“溫室效應(yīng)”有關(guān)。所謂溫室效應(yīng)，是指大氣中的水汽、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷以及臭氧等溫室氣體對地球的保溫作用。據(jù)研究，上述這些氣體對太陽短波輻射吸收很少，而對地表長波輻射吸收很多。所以，空氣中溫室氣體的含量增加，就會影響地表和大氣的輻射平衡，從而導(dǎo)致地表的平均溫度上升，對全球氣候的變化造成直接影響。

空氣中，二氧化碳雖然只占0.031%，但對溫室效應(yīng)的貢獻率卻高達26%。當(dāng)前，化石燃料的燃燒和其他相關(guān)的人類活動，每年向大氣中排放的二氧化碳接近300億噸，濃度達到了80萬年來的最高水平。

根據(jù)全球氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，從20世紀50年代開始，約有50%以上區(qū)域的地表氣溫升高。而在1951年到2010年的60年中，全球地表平均溫度升高了1.38℃，平均每十年升高0.23℃。二氧化碳作為造成溫室效應(yīng)的主要氣體之一，對氣候的影響越來越大。全球極端天氣的頻頻爆發(fā)，也給人們的生命財產(chǎn)帶來了威脅。如今，氣候的劇烈變化成了懸在人類頭上的一把利劍，人們?nèi)绻俨蛔龀龈淖儯磥韺⒉豢霸O(shè)想。世界各國必須盡快行動起來，打一場事關(guān)人類存亡的氣候保衛(wèi)戰(zhàn)。

要想打贏這場戰(zhàn)爭，就要圍繞關(guān)鍵問題進行研究。第一，如果二氧化碳濃度持續(xù)上升，溫度會不會持續(xù)上升？氣候系統(tǒng)對二氧化碳的變化有什么樣的反應(yīng)？第二，每年自然界和人為因素分別向大氣中排放多少二氧化碳，地球系統(tǒng)能夠吸收其中多少？

因此，要想打贏這場氣候保衛(wèi)戰(zhàn)，前提是要對全球大氣中的二氧化碳含量進行準(zhǔn)確測量和監(jiān)控，時刻掌握其濃度的變化和分布情況。這個想法很好，但是想要達到這個目的，難度是非常高的，因為科學(xué)家們要監(jiān)控的是整個地球的大氣層，既包括有人居住的陸地，也包括無人居住的大海，而且還要對某個地區(qū)大氣層中的二氧化碳濃度的細微變化了然于心?？梢哉f，沒有高超的技術(shù)手段和先進的儀器設(shè)備，想完成這項工作是根本不可能的。

事實也是如此。目前，列入世界氣象組織（WMO）全球大氣觀測計劃的站點仍非常有限，全球大氣本底監(jiān)測站為31個，區(qū)域大氣本底監(jiān)測站也只有400多個。這些站點可以幫助科學(xué)家掌握全球平均的大氣二氧化碳信息，但這還遠遠不夠，因為還有很廣袤的區(qū)域沒辦法涉足，那就是無邊的沙漠和浩瀚的大洋，那里無法安設(shè)探測二氧化碳濃度的儀器，從而造成二氧化碳數(shù)據(jù)的缺失和不完整。這樣一來，要想解決前面提到的那幾個科學(xué)問題就不容易了。

那么有沒有其他辦法解決監(jiān)測全球大氣二氧化碳濃度這一難題呢？有的，那就是發(fā)射專門測量大氣中二氧化碳濃度的衛(wèi)星，俗稱“嗅碳衛(wèi)星”或“碳衛(wèi)星”。為了更好地認識碳衛(wèi)星的先進之處，就讓我們回顧一下科學(xué)家在探索該技術(shù)領(lǐng)域過程中所付出的辛勞與汗水吧。

淚流滿面的“自然之母”。海洋攝影師及環(huán)境學(xué)講師Michael Nolan在拍攝融化中的Austfonna冰蓋時無意中拍到的流淚的“自然之母”，那被迫消融的悲傷，逆流成河對于監(jiān)測大氣二氧化碳濃度的科學(xué)家們而言，最好的成果是繪出一幅全球二氧化碳濃度分布圖，令他們對全球大氣二氧化碳濃度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和未來變化情況了然于心。但是，由于技術(shù)手段的落后，在很長的時間里，科學(xué)家們都沒有辦法得到想要的成果。那么，在發(fā)射碳衛(wèi)星之前，世界各國是如何監(jiān)測大氣中二氧化碳濃度的呢？

無論是國內(nèi)還是國外的科學(xué)家，為了獲取大氣二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)，都想盡了各種辦法，雖然技術(shù)還存在不足，但至少起到了一定的作用。在發(fā)射碳衛(wèi)星之前，有兩種可行但是并不完美的辦法一直在使用，俗稱“地基模式”和“空基模式”。那么，這兩種監(jiān)測模式是什么意思呢？

所謂“地基模式”，就是在地面建立多個觀測站觀測和記錄二氧化碳濃度的方法。這種技術(shù)始于1958年，由美國科學(xué)家查爾斯·基林在夏威夷的莫納羅亞山上建立起全球首個大氣二氧化碳濃度監(jiān)測站，開啟了全球二氧化碳監(jiān)測的先河。如今，這項工作由美國國家海洋和大氣管理局的地球系統(tǒng)研究實驗室承擔(dān)，由美國阿拉斯加州的巴羅天文臺、夏威夷的莫納羅亞天文臺、薩摩亞群島天文臺和南極洲上的天文臺共同監(jiān)測大氣中氣體成分的長期變化情況，同時承擔(dān)全球氣體采樣網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提供大氣中二氧化碳的空間變化數(shù)據(jù)。目前，全球設(shè)置的二氧化碳地面觀測點大部分位于美國和歐洲，對于美國和歐洲之外的地區(qū)，包括海洋和沙漠，因缺乏站點，無法做到有效監(jiān)測。

“空基模式”是借助飛機和熱氣球等飛行器監(jiān)測二氧化碳濃度的方法。科學(xué)家們利用飛機在指定的區(qū)域內(nèi)進行觀測，精度可達0.1～0.2ppm（ppm指百萬體積的空氣中所含污染物的體積數(shù)）。如今，美國的飛機參與了多個項目的空基測量，而日本則是利用民航飛機飛往澳大利亞、美國、歐洲和亞洲其他國家的機會，在飛機上搭載探測儀器進行溫室氣體的測量。除了利用飛機之外，利用熱氣球測量二氧化碳濃度也是一個較好的辦法。

“地基模式”和“空基模式”雖然取得了一些成果，但是面對占據(jù)全球面積70%以上的海洋和沙漠，這些監(jiān)測成果零碎、不完整，只能提供局部大氣層中二氧化碳的濃度數(shù)據(jù)，猶如盲人摸象，無法對全球大氣進行整體監(jiān)測。另外，地基和空基測量方法都存在明顯的局限性，地基測量技術(shù)空間覆蓋度低，容易受到沙漠和高山等地形條件的影響，并且維護成本較高。而空基測量技術(shù)則需要依托飛機和熱氣球等工具才能實施，很容易受到惡劣氣候的影響。同時，飛機和熱氣球的航線是固定的，測量范圍狹窄，只能獲取局部的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，無法完成對全球大氣層中的二氧化碳的濃度測量，更不要說繪制全球二氧化碳濃度分布圖了。

既然上述兩種辦法都不盡如人意，就只能探索第三條路了，那就是發(fā)射碳衛(wèi)星，對全球大氣層中的二氧化碳濃度進行全面監(jiān)控。這個辦法可行，但是難度非常高，即使是科技最發(fā)達的美國，第一次發(fā)射碳衛(wèi)星也以失敗收場。

地基和空基監(jiān)測技術(shù)雖然解決了部分問題，但是還不能滿足對全球大氣層中的二氧化碳的全面監(jiān)控，因此尋找更加有效的監(jiān)測手段就順理成章。發(fā)射碳衛(wèi)星就是目前最好的選擇。利用碳衛(wèi)星監(jiān)測二氧化碳濃度的辦法有一個很時髦的術(shù)語叫“星載模式”，就是通過衛(wèi)星平臺上搭載的各類科學(xué)探測儀器，對地球大氣層中二氧化碳的濃度進行實時監(jiān)測。這一模式具有統(tǒng)一、連續(xù)、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，從而可繪制全球二氧化碳的濃度圖，為科學(xué)家們研究氣候變化提供數(shù)據(jù)支持。

然而，星載監(jiān)測技術(shù)雖然很高端，能夠?qū)θ虼髿鈱又械亩趸紳舛茸兓M行監(jiān)測，但是實現(xiàn)的難度非常大。難到何種程度？全球近200個國家，目前只有日本、美國和中國掌握了這項技術(shù)。其中，日本和美國屬于這個技術(shù)領(lǐng)域的開拓者，中國則后來居上，形成了三足鼎立的局面。

美國和日本的碳衛(wèi)星采用的技術(shù)都是基于日光反射式被動探測原理，即利用衛(wèi)星上的望遠鏡，收集地表反射的太陽光，并對其進行分析，進而得到全球二氧化碳的分布圖。

美國碳衛(wèi)星OCO（Orbiting Carbon Observatory）的研發(fā)由美國加州理工大學(xué)噴氣推進實驗室負責(zé)，這是美國國家航空和宇宙航行局（NASA）地球系統(tǒng)科學(xué)開發(fā)計劃的重要組成部分。這顆碳衛(wèi)星號稱是測量大氣層中二氧化碳濃度空間分辨率最高的，并且測量數(shù)據(jù)最精準(zhǔn)的衛(wèi)星，它的測量采樣率每天高達5×105～1×106次，視場分辨率為3平方千米。這里所說的“視場”，指的是衛(wèi)星攝像頭能夠觀察到的最大范圍，視場越大，觀測范圍就越廣。

美國發(fā)射碳衛(wèi)星一波三折。2009年第一次發(fā)射碳衛(wèi)星OCO時，由于整流罩沒有與第三級火箭分離，導(dǎo)致發(fā)射失敗，衛(wèi)星墜毀，技術(shù)發(fā)展遭受重大挫折。隨后，美國繼續(xù)研制碳衛(wèi)星OCO-2，一直到2014年才發(fā)射成功，總造價高達4.68億美元。而日本的碳衛(wèi)星GOSAT（Greenhouse gases Observing Satellite）的發(fā)射就順利得多，這顆衛(wèi)星是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)、日本環(huán)境省和日本國立環(huán)境研究院聯(lián)合研發(fā)而成的，搭載了一臺傅里葉變換光譜儀，用于探測二氧化碳和甲烷的濃度;還搭載了一臺云（氣）溶膠探測儀，用于提高溫室氣體測量的精確度。衛(wèi)星于2009年1月23日發(fā)射成功，至今已經(jīng)服役多年。

毋庸置疑，美國和日本作為先驅(qū)者，發(fā)射的碳衛(wèi)星為全球范圍內(nèi)監(jiān)測大氣中的二氧化碳濃度做出了開創(chuàng)性貢獻。然而，不管是美國發(fā)射的OCO-2，還是日本發(fā)射的GOSAT，都存在技術(shù)上的不足。那么，兩家的衛(wèi)星都有哪些需要改進的地方呢？

對日本的GOSAT而言，它每天的有效觀測點只有300多個，相當(dāng)于在地球的幾十萬平方千米范圍內(nèi)只有一個觀測點，并且最小只能探測到10千米范圍內(nèi)大氣中二氧化碳的平均值，測量精度和范圍都不高。也就是說，日本碳衛(wèi)星的探測范圍太小，獲取的成果有限。

美國OCO-2的空間分辨率雖然提高了2千米，但是這顆衛(wèi)星的個頭較小，只搭載了一臺觀測二氧化碳的儀器，對于大氣中的氣溶膠信息則無能為力，而大氣中的氣溶膠濃度又對二氧化碳的測量精度影響非常大。氣溶膠是由微小的固體或液體分散、懸浮在氣體中形成的，空氣中的云、霧、塵埃，鍋爐和汽車冒出的煙，采礦、采石場和糧食加工時所形成的固體粉塵，人造煙霧等都是氣溶膠，它們就像搗蛋鬼，影響了觀測大氣二氧化碳濃度的精確度。打個比方，氣溶膠就相當(dāng)于音樂中的背景噪音，剔除后音樂才會更加悅耳。而美國衛(wèi)星缺少探測氣溶膠的儀器，使其測量的二氧化碳濃度的精確度打了折扣?？傊?，美國的碳衛(wèi)星功能還不夠強大。

我國自主研發(fā)的碳衛(wèi)星攻克了20多項關(guān)鍵技術(shù)，克服了重重困難，終于在技術(shù)水平上上了一個臺階，并于2016年12月22日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載“長征二號丁”運載火箭發(fā)射升空。我國碳衛(wèi)星采用的英文名字“TanSat”有特定的含義，“Tan”其實就是漢字“碳”的拼音，而“Sat”是衛(wèi)星的英文“Satellite”的縮寫，合起來就是“碳衛(wèi)星”。

我國發(fā)射的碳衛(wèi)星全稱叫“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星”，重約620千克，在距地約700千米的太陽同步軌道上運行，裝有高精度二氧化碳探測儀和多譜段云（氣）溶膠探測儀，用來獲取全球包括我國重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度分布圖，測量精度優(yōu)于4ppm，能發(fā)現(xiàn)大氣二氧化碳1%的濃度變化，達到了國際先進水平。

我國碳衛(wèi)星裝載的高精度二氧化碳探測儀有2000多個通道，光譜解析度極高。大氣在太陽光照射下，其中的二氧化碳分子會呈現(xiàn)出光譜吸收的特性，碳衛(wèi)星通過精細測量二氧化碳的光譜吸收線，就可以反演出大氣中二氧化碳的濃度。衛(wèi)星每隔16天可完成一次地球二氧化碳測繪，最小能測量地面2平方千米范圍內(nèi)的二氧化碳濃度。

當(dāng)碳衛(wèi)星采集到原始數(shù)據(jù)后，傳送匯集至中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心，研究人員再將數(shù)據(jù)進行處理，并結(jié)合地面監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，對信號進行反演，最終得到精度在1～4ppm的全球二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。

與日本的碳衛(wèi)星相比，我國碳衛(wèi)星的掃描寬度是20千米，是日本的兩倍;有效采樣點數(shù)也是日本的10倍以上。而且我國的碳衛(wèi)星還專門搭載了一臺多譜段云（氣）溶膠探測儀，這是美國的OCO-2所沒有的，它可在觀測二氧化碳的同時，對大氣中的氣溶膠進行聯(lián)合觀測，從而解決氣溶膠的干擾問題。

我國的碳衛(wèi)星研發(fā)開始于2011年，其研發(fā)的主要目的是為了打破國外的技術(shù)壟斷，掌握更多的話語權(quán)，同時為應(yīng)對全球氣候變暖獻計獻策，最終做到資源共享，為全人類的福祉做出貢獻。

2011年，國家啟動實施“863計劃”“十二五”重大項目——“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”研究，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負責(zé)工程總體組織實施，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負責(zé)衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研制有效載荷，中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心負責(zé)地面數(shù)據(jù)接收、處理與二氧化碳反演驗證系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運行。

碳衛(wèi)星研發(fā)的技術(shù)難度很高，我國的科學(xué)家攻克了最關(guān)鍵的三個技術(shù)瓶頸，使得碳衛(wèi)星的性能達到了前所未有的高度。這三項技術(shù)突破分別是：200毫米×200毫米的大面積衍射光柵技術(shù)、光學(xué)遙感定標(biāo)技術(shù)和衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)。

大面積衍射光柵技術(shù)使得觀測精度達到了原子級別，可以對二氧化碳的吸收光譜進行細分，最高分辨率達到0.04納米，如此高的分辨率也創(chuàng)造了國內(nèi)光譜儀的紀錄。

光學(xué)遙感定標(biāo)技術(shù)猶如一桿秤的刻度，刻度越精準(zhǔn)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度越高。

衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)能根據(jù)需要調(diào)整衛(wèi)星的觀測角度和位置，保證它能按要求開展工作。比如碳衛(wèi)星可以“豎著看”“斜著看”和“盯著看”，每種觀測方式獲得的數(shù)據(jù)也有差別。豎著看，可開展地面二氧化碳的觀測;斜著看，可獲取海面上空的二氧化碳數(shù)據(jù);盯著看，顧名思義，就是衛(wèi)星在飛行過程中，始終瞄準(zhǔn)一個特定目標(biāo)進行觀測。

2017年10月24日，在地球觀測組織（GEO）第14屆全會“中國日”展覽活動上，中國代表宣布首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)將對全球用戶免費開放。國內(nèi)外用戶可以登錄中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)站或者中國國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺，免費進行數(shù)據(jù)檢索下載，充分體現(xiàn)了中國是一個勇于承擔(dān)責(zé)任和義務(wù)的大國。中國也成為繼美國、日本之后，第三個可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家。

期待中國的碳衛(wèi)星在這場全人類的氣候保衛(wèi)戰(zhàn)中貢獻更大的力量。

（編輯 旦 旦）