首颗中国碳卫星“碳”秘之旅：监测全球CO₂浓度变化
碳卫星观测被反射的太阳光 图片来源：上海微小卫星工程中心
文/金羊网记者 李妹妍
12月22日凌晨，我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星（以下简称“碳卫星”）成功发射，开启其全球“碳”秘之旅。
“目前卫星已准确进入距离地面700公里外的预定轨道，将进行6个月的在轨测试。”碳卫星地面应用系统总指挥、国家卫星气象中心副主任张鹏近日接受羊城晚报记者采访时表示，在未来3年中，这颗620公斤重的碳卫星将每16天对地球进行一次全面的二氧化碳排放情况“体检”，“这将成为我国第一手的二氧化碳监测数据。”
太空怎么“探”？
高分辨率探测仪能测1%浓度变化
“碳卫星通过5种观测模式的组合，完成对全球二氧化碳的探测，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。”碳卫星首席应用科学家、国家卫星气象中心总工程师卢乃锰告诉羊城晚报记者，碳卫星主要由模块化卫星平台、高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪与多谱段云与气溶胶探测仪组成，“我国以前还没有这么复杂观测模式的民用卫星。”
据介绍，与以往的气象卫星不同，碳卫星是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。“大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会对许多精细的颜色有不同程度吸收，通过碳卫星对二氧化碳光谱吸收线进行精准的测量，可以反向推算出二氧化碳分子数量，从而得知大气中的二氧化碳浓度。”
在大气中，二氧化碳的浓度只有万分之四左右，而按照项目设计，对大气中二氧化碳的浓度监测的精度优于4ppm （百万分比浓度）。这也意味着，碳载荷必须能发现大气中二氧化碳1%的浓度变化。
“要达到这么精细的分辨率，必须要有大面积光栅。”碳卫星二氧化碳探测仪负责人、中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员郑玉权告诉记者，在几十纳米的带宽上，用人眼看只有一个颜色，二氧化碳探测仪采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分，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，如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制中尚属首次。
原子级别的超凡“视力”背后，是反复的技术攻关和大量的空间可靠性试验。郑玉权介绍称，六年间，碳载荷研究人员从“无”到“有”，从最基础的制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发，一点点攻克技术难关，最终才在碳化硅基底上制造出高精度衍射光栅。
而为满足碳卫星在5种观测模式和十余种指向模式间自如切换的要求，卫星平台研究人员攻克了多项技术难题，为卫星配备了复杂姿态指向控制系统，使它可以在太空中实现频繁大角度姿态机动，跳出“太空华尔兹”。
地面如何“测” ？
数据要经全新高精度反演处理
“碳卫星在绕地飞行的时候，把东西向20公里范围内的信息收集起来，然后把带有太阳光反射或散射情况的信息传回地面接收站。”张鹏称，碳卫星采集到原始数据后，地面应用系统将对卫星数据进行接收并进行遥感资料的预处理。
他告诉记者，依托风云极轨气象卫星地面应用系统建设，通过精心设计和适用性改造，碳卫星观测的全球原始数据经由风云三号的瑞典基律纳站和国内的佳木斯、乌鲁木齐地面接收站，被传送汇集至中国气象局国家卫星气象中心。
“在这里，研究人员将数据进行定位、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。”张鹏称，但是，这些数据并不是直接可用的二氧化碳浓度分布，需要经过大气物理学家进行高精度的全球二氧化碳分布反演计算，才能最终成为全球二氧化碳观测数据产品并共享发布，“反演是整个处理过程的核心。”
什么是反演？碳卫星首席应用科学家卢乃锰向记者解释称，通俗来讲，太阳的光谱是确定的，如果已知二氧化碳浓度等大气状况，根据模型，计算出卫星应该观测到的光谱，是正演；而根据卫星获取的数据，由模型反算出二氧化碳浓度，就是反演。“以往气象卫星所涉及的反演问题，大多集中在红外和微波谱段，而碳卫星所涉及的是可见光和近红外谱段的反演问题，机理不同。”
“二氧化碳反演受到云与气溶胶、气压、温度、反照率等多因素影响，反演算法非常复杂。”卢乃锰表示，地面应用系统科研人员集中国内优势单位联合攻关，成功攻克全球数据快速接收、高精度定标和二氧化碳反演、科学验证等20项关键技术，在在轨定标、高精度辐射传输正演模型等方面取得重要突破，填补了国内技术空白。
二氧化碳反演系统 资料来源：上海微小卫星工程中心
未来怎么“用” ？
与美日碳卫星形成互补关系
“碳卫星发射3~6个月后，国家卫星气象中心将联合中国科学院的仪器研制单位完成对碳卫星各项功能和性能指标的在轨测试和评价，随后有望发布第一批全球二氧化碳数据。”张鹏介绍说，二氧化碳浓度数据将对全球的用户公开，成为全球二氧化碳监测网络的重要组成部分。
据了解，在经过半年的在轨测试后，碳卫星将正式投入运行，每日记录长约10小时的数据，16天完成一个回归周期，每两到三个月，完成一次全球有效覆盖。碳卫星获取的信息经过地面应用系统解析和处理，最终形成不同季节、不同地区的碳排放情况报告。
按照项目设计，我国的碳卫星大气二氧化碳反演精度可达到1-4ppm，比日本GOSAT卫星监测精度高，与美国OCO-2卫星相当。国家卫星中心研究员张兴赢告诉记者，美国OCO2卫星只有一个观测二氧化碳的仪器，无法同时获取云和大气中气溶胶的信息，而这些信息是卫星探测二氧化碳非常重要的辅助观测信息。“中国碳卫星的空间分辨率将超过美日卫星，达到1~2公里，也就是说两个相邻较大的小区排放二氧化碳的差别都将可能被分辨出来。”
事实上，碳卫星还被抱有更大期待：二氧化碳的流动情况是什么样子的？它从哪里排放出来？又在哪里被植被、海洋等吸收？“有了这些信息后，我们才可以清晰地掌握碳排放的机理和变化。”张兴赢称，这样一来，可以有的放矢地制定减排政策措施，还可以获得更多的科学结论来应对全球气候变化。
“数据获取周期过长是目前碳卫星所面临的一大困境。”张鹏坦率地说，目前，获得一张覆盖全球二氧化碳监测图，需要碳卫星在太空跑2到3个月，导致这一状况的根本原因，就是碳卫星监测到的数据点还远远不够。
监测全球二氧化碳一两颗卫星远远不够，我国发射碳卫星实际上与美日的碳卫星形成了相互补充的关系。“随着碳卫星数目的增加，10天平均甚至更短周期的数据都有可能实现。”在张鹏看来，描述CO2的变化，需要更多卫星累积基础数据。“有了数据，才可能为全球气候变化的研究、全球温室气体减排政策提供依据，为保护地球环境做出积极贡献。”
意义在哪里 ？
提升碳交易谈判等 方面主动权
在中国之前，只有美国和日本发射了自己的碳卫星。
“我们很难获得第一手观测资料。”张鹏说，更为现实和迫切的需求是，在碳排放数据上知己知彼，对提升我国在全球气候谈判、未来碳交易等方面的主动权具有重要意义。
正是基于上述认识，中国2010年开始对碳卫星项目进行论证，并于2011年启动实施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”。
“大家对发射碳卫星这件事已达成共识，问题是我们能否做得了和怎么做。”卢乃锰介绍称，对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测，这对中国而言，是一种全新的挑战，“我们刚开始也是两眼一抹黑，心里完全没有底。”
“碳卫星需要高光谱分辨率、高灵敏度的先进遥感仪器，其对核心技术攻关和工程化研制的要求都非常高。”说起研制过程，郑玉权感慨颇多。项目之初，载荷团队一面要加紧攻破各项关键技术、进行原理验证，一面要进行载荷工程化研制，两线并行，压力巨大，“夜不归宿是研制过程中的经常状态，没有比实验室的一张小床更温暖的窝了。”
自2011年启动开始，从总体方案设计、关键技术攻关开始，到最后完成整星研制、具备发射状态，历经近6年的时间。“我们在反复权衡功能、精度和工艺水平后，确定了合适的配置方案。”让卢乃锰高兴的是，中国的碳卫星不仅实现了各项设计指标，还极大地带动了我国多项相关技术的突破，填补了技术空白。