碳衛星開啟「碳」秘之旅 監測全球碳排放

　　本文科學顧問：碳衛星首席應用科學家盧乃錳

中國氣象報記者 盧健

　　「現在世界各地統計碳排放，許多國家各自通過化石燃料燃燒量和效率來計算排放量，其中具有很大的不確定性。你上天后，要幫助我們弄清全球二氧化碳的分布、排放情況和變化趨勢，讓我們在應對氣候變化時真正做到有的放矢。」帶著這樣的任務，12月22日凌晨，作為世界上第三顆碳衛星，我出發前往距離地球700公裡多外的太空，即將開始我的全球「碳」秘旅行。

　　出生：一探全球二氧化碳

　　我的名字裡帶有一個「碳」，因為我的工作就圍繞著它的化合物——二氧化碳展開。

　　150年前，人類開始對二氧化碳進行地面觀測。在短短的一百多年裡，二氧化碳濃度變化之快讓科學家吃驚，從280ppm增長到了現在的400ppm。這麼多的二氧化碳會對地球產生什麼影響呢？

　　作為溫室氣體，二氧化碳就像給地球蓋了一個保溫薄膜：能把太陽光「放」進來，讓薄膜內變得暖烘烘的。當薄膜增厚，熱量就不易擴散出去，這是在過去的100年中，導致全球平均氣溫上升了0.7℃左右的主要原因。

　　要是繼續按照這個態勢發展下去，地球可就支撐不住了。有研究表明，到時候即便停止二氧化碳排放，地球也會發生不可逆的變化。

　　有人會好奇，通過地面觀測站來近距離「觀察」二氧化碳不是更清楚嗎，為什麼要派我到太空去呢？

　　科學家們如此安排自然是大有深意。他們正是看中了我的飛行能力和空間對地遙感的技術。我每天都在繞著地球跑圈，經過幾個月，就能把全球每個角落的二氧化碳情況都看到。相比之下，二氧化碳地面觀測站固然有優勢，但在2010年前後，全球範圍內這樣的觀測站只有200多個，僅僅依靠它們無法畫出一張完整的全球二氧化碳分布圖。

　　原理：解碼陽光反射信息

　　雖然我叫碳衛星，但其實我並不能直接看到二氧化碳在哪裡，而是通過看太陽光穿過大氣照到地面後反射出來的光，或者經大氣散射出來的光，然後「解碼」出二氧化碳的情況。

碳衛星觀測被反射的太陽光。圖片來源：上海微小衛星工程中心

　　大家一般都知道，太陽光分為赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色譜。而實際上，太陽光的色譜遠不止這些，單單拎出來七個中的任何一個，都有極為豐富的變化。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。如果衛星看到反射或散射出來的光中特定的頻點很弱，那麼可以推斷這裡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。這個推斷過程就是科學家通常所說的「反演」。

二氧化碳反演系統。資料來源：上海微小衛星工程中心

　　具體來說，我在繞地飛行的時候，把東西向20公裡範圍內的信息收集起來，然後把帶有太陽光反射或散射情況的信息放在信號裡，交給建在地面的三個接收站，進而送至國家衛星氣象中心進行處理。整個處理過程的核心是反演：有一個地球模型來描述大氣的二氧化碳狀況；一個太陽的模型，包括太陽光的光譜、強度、照射的角度情況；衛星觀測信息和地面觀測檢驗站資料一起送到反演系統，最終得到不同地區的二氧化碳濃度信息。

　　工作：圍繞地球翩翩起舞

　　我有兩樣寶貝載荷，一個用來觀測二氧化碳，一個用來觀測雲與氣溶膠。在整個觀測過程中，我是邊跳舞邊工作的。

　　在觀測二氧化碳的時候，我可以這樣看：太陽光穿過大氣，照到地面反射出來，我把臉朝向地面，直直地盯著正下方看反射的信息。科學家稱這個模式為星下點觀測。

星下點觀測（左）和耀斑觀測（右）。圖片來源：上海微小衛星工程中心

　　當我飛過海洋的時候，身子靈活一轉，就能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。

碳衛星目標觀測。圖片來源：上海微小衛星工程中心

　　雖然我擁有很高大上的技術，但作為一名科技工作者，我的工作作風十分嚴謹認真。當飛過地面檢驗站時，我馬上目不轉睛地觀察這個位置的太陽光信息，並把我看到的信息跟它觀測到的信息進行比較，這就是目標觀測模式。

　　另外，除了觀測二氧化碳之外，我還能觀測氣溶膠。霧—霾等氣溶膠跟二氧化碳一樣，它們的異常增加和人類排放有關，兩者聯合觀測不僅能提高二氧化碳的反演精度，而且有利於對它們進行綜合分析。

　　我全年365天在外空飛行，暴露在各種宇宙射線中，工作環境非常惡劣。時間長了，身上的元器會老化，就可能影響到我準確的判斷力。這可是了不得的事，有科學家曾經說這就像市場裡的秤，用的時間長了，又不仔細，準心就不準了。遇到這種情況時，為了做一名誠信商家，商家會把秤「標定」一下。

碳衛星對日定標。圖片來源：上海微小衛星工程中心

　　而我也是一顆嚴肅負責的衛星，如果我的判斷力下降，科學家們也會幫我「標」一下的。當要確認強信號觀測得準不準的時候，就讓我轉個身子盯著太陽看，因為太陽的光譜、輻射強度都很穩定，可以拿標準太陽輻射強度和我觀測的強度進行比較；要確認弱信號的時候，就讓我盯著光譜同樣穩定的月亮看。看完了太陽和月亮，我的定標就完成了。

碳衛星對月定標。圖片來源：上海微小衛星工程中心

　　難度：捕捉百分之一微小變化

　　雖然我是一顆微小衛星，但也是讓幾個航天大國傷透腦筋的衛星呢，因為技術上實在太有挑戰性了。

　　從哥本哈根氣候變化大會之後，全世界都在持續關注二氧化碳問題。日本在2009年發射了碳衛星GOSAT，美國在經歷了一次失敗後，鍥而不捨，最終於2014年發射了碳衛星OCO-2。碳衛星對靈敏度要求很高，在現在二氧化碳濃度變化很快的情況下，我們需要在每年零點幾個ppm到1個ppm之間把信號探測出來，靈敏度不高根本就辦不到。

　　這就需要為大家介紹一下我搭載的超高光譜二氧化碳探測儀了。在幾十納米的帶寬上，用人眼看只有一個顏色，而通過我的2000多個通道，就具備了微小差異顏色的區分能力。這也只有中科院長春光機所製造的200×200毫米的大面積光柵才能做到，它可是填補了這一領域的國內技術空白。

　　現在，經過科學家的努力，我可以自豪地說，我的靈敏度已經提高到可以發現1到4個ppm二氧化碳的變化，這不亞於OCO-2的水平。

　　還有，在民用衛星裡，沒有哪個小夥伴比我的觀測模式更複雜，我可是有5種觀測模式和十幾種指向的模式喲。雖然大家看我跳舞、翻跟頭都很輕鬆隨意，但這可真正稱得上「臺上十分鐘，臺下十年功」。衛星領域的科學家最忌諱的就是讓衛星做沒完沒了的動作：畢竟是在太空，沒有任何著力點，要是翻過去翻不回來了怎麼辦？而恰恰是為了特定的科學目標，科學家解決了我在天上不斷做動作的難題。

　　與導航定位衛星小夥伴不同，我做的工作並不是簡單的目標識別，比如看地面上有個什麼建築；跟氣象衛星小夥伴涉及的譜段也不一樣，它們裝載的大氣探測儀器主要是在紅外和微波吸收譜段。相比於這些，我傳回給地球的數據，要難處理得多。

　　氣象衛星在國內是領頭羊，比其他衛星的發展時間早十幾年。相應地，氣象部門科學家的衛星反演技術也很拿得出手。然而，對利用可見光和近紅外探測結果進行大氣成分的反演，這還是頭一次，所有的反演驗證系統都要重新設計。他們聯合攻關，終於啃下了這塊硬骨頭，填補了技術空白。

　　計算：哪裡排放一覽無餘

　　獲得一張覆蓋全球的二氧化碳監測圖，需要我在太空跑2到3個月。

　　前面我已經自我介紹了一番，我能看到全球的二氧化碳濃度分布情況。而實際上，對我抱有很大期待的地球居民更想知道的是：二氧化碳的流動情況是什麼樣子的，即通量如何；它是從哪裡排放出來的，又在哪裡被植被、海洋等吸收，也就是通常所說的源匯情況。

　　這三者間有關係，但沒有一個數學方程能說明，濃度高的地方就是源，通量就高；濃度低的地方就是匯，通量就低。

　　那麼怎樣得到源匯呢？這就需要把我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。首先有一個大氣的模型，勾畫出大氣的流場，描述風往哪兒吹。然後我來告訴大家二氧化碳濃度是怎麼分布的。在此基礎上，科學家們就能推算，這種濃度下，它會吹到什麼地方去，通量是多少。如果多幾個頻次觀測，就能知道是什麼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。所以需要走三步才能得到源匯，而後兩步的工作也非常有挑戰性。

　　現在，我已經準確進入到了距離地面700公裡外的預定軌道。開機之後，我將進行6個月的在軌測試。如果一切順利，我獲取的數據將加載到國家綜合地球觀測數據共享平臺，除向國內各類用戶提供數據共享服務外，還將通過全球生態環境遙感監測年度報告（GEOARC）發布專題報告。前段時間，NASA（美國國家航空航天局）主動提出合作，希望我能和OCO-2、GOSAT，以及歐洲將要發射的碳衛星一起，進行多衛星聯合觀測。這樣，我們辛苦工作獲得的數據，就能更好地造福人類。

　　（責任編輯：欒菲）