“嗅碳卫星”地球之上的灵魂舞者

在节能减排刻不容缓的形势下，碳卫星翩翩起舞，通过多种观测模式组合，让碳排放无处遁形

1992年，世界各国签署了《联合国气候变化框架公约》，意在将大气二氧化碳浓度稳定在某一水平上以防止人类活动严重干扰气候系统。之后，数次全球范围内的气候大会，都显示出国际社会对温室气体排放导致全球气候变化的普遍认同，气候变化问题已超越地缘政治成为关系人类命运的重要议题。

在节能减排刻不容缓的形势下，为了达到“巴厘路线图”的“三可”量化减排目标（可测量、可报告、可核查）和相应的计量方法，各国政府都迫切希望科学家们能拿出切实可行的测量方法和技术，为全球碳循环的研究提供可信的数据支持。

为了在全球和区域尺度获取碳循环研究所需的二氧化碳通量信息，星载二氧化碳探测技术成为“嗅碳”的首要突破点，然而极大的技术难度使目前全球仅有两颗卫星在轨工作。一是日本于2009年成功发射了温室气体观测卫星“呼吸”号，另一个是美国2014年发射的OCO-2卫星。2015年12月22日，美国NASA公布了首张全球二氧化碳分布图，其中中低纬度部分地区的大气二氧化碳浓度突破了400ppm（即百万分之四百）。

探测大气污染

2009年，國家遥感中心组织专家组开始中国碳卫星的前期战略研究工作；2011年在863计划的支持下“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（中国碳卫星）正式立项。项目目标是研制并发射一颗“以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学试验卫星”，建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统，形成对全球、中国及其它重点地区大气二氧化碳浓度监测能力，监测精度达到1-4ppm。

碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理，二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收，形成特征大气吸收光谱，对吸收光谱的强弱进行严格定量测量，综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上二氧化碳的柱浓度。

通过对全球柱浓度的序列分析，并借助数据同化系统的一系列模型，可推演出全球二氧化碳的通量变化（单位时间通过单位面积的二氧化碳总量），这正是碳循环研究的核心数据基础。

要获取高精度的大气吸收光谱，就要依靠碳卫星的主载荷——高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。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?m、1.6?m、0.76?m三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04nm，如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制上尚属首次。

科学家将这项操作类比检查人的指纹，普通仪器只看得到纹理，而二氧化碳探测仪可以把指纹放大一百倍，精细的测量每条指纹的宽度和深度。

要实现这些核心指标可不是一件容易的事情，科学家们既需要对观测和定标进行巧妙的设计，还需要能做出极高的衍射效率和面型精度大面积全息光栅。据中科院长春光机所研究员郑玉权介绍，为突破探测仪上的关键技术，科研人员从最基础的、制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发，一点点攻克技术难点，最终在SiC基底上制造出高精度衍射光栅，并在航空较飞试验中进行了验证。

二氧化碳探测仪与其他很多星载光学载荷不同，为了提高两个红外通道的信噪比、保证光谱探测精度，其在轨工作时要保持在-5℃的温度水平。就是这一简单的条件变化，让科研人员付出巨大的努力，在进行所有的组件、整机装调工作时都必须在-5℃条件下，于是，在载荷初样、正样研制最紧张的阶段，研究人员连续数月在低温室里工作，经常是户外30℃以上的高温，而低温室内却要穿着厚厚的羽绒服、冻着手坚持装调。

碳卫星的定标难题

碳卫星重约620公斤，由三部分组成：模块化卫星平台、高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪。

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，这也是我国迄今为止观测模式最复杂的民用卫星，它通过多种观测模式的组合，让碳排放无处遁形。

当然，碳卫星还面临着定标难题。二氧化碳探测仪定标系统负责人蔺超介绍，定标技术是光谱仪器最终实现精度的关键技术，为保证最终的光谱数据的精准，必须在实验室和在轨工作时对仪器的光谱性能和辐射性能进行精准标定。科研人员不但为二氧化碳探测仪量身特制了真空定标系统，还利用可调谐激光器和波长及搭建自动化定标系统，大幅提高了实验室定标的效率，使仪器的定标周期较OCO-2大幅缩短。

为了让二氧化碳浓度探测更加精准，科研人员还给碳卫星装上了另一台载荷——多谱段云与气溶胶探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为精确反演CO2浓度剔除干扰因素。

当然，云与气溶胶探测仪作用还不仅于此。据科技部遥感中心总工程师李加洪介绍，它还可以获取全球尺度气溶胶数据，这不仅可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，还可以为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

卫星在天上大展拳脚，但是仅靠它单打独斗是远远不能完成使命的，若要实现最终任务目标，需要多个大系统协调配合。在科技部、中国科学院的共同组织下，碳卫星按照航天工程模式，组成了卫星、运载、发射场、测控、应用五大系统。

碳卫星发射运行后，科学数据将依托风云系列地面接收站资源完成数据下传。这些数据并不是直接可用的二氧化碳浓度分布，需要经过气象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。

碳卫星肩负着巨大的使命进入太空探索，除了进行相关科学试验，更好地掌握二氧化碳的全球分布规律、机理，还有巨大的应用价值。“后期卫星传送的信息进行处理、加工、分享、服务时都会按照应用的需求，与其他国家共享，同时有效指导我国的节能减排。”李加洪说。

“小卫星”的大责任

碳卫星最终实现全球观测，还需要卫星平台实现灵活的观测模式。二氧化碳探测仪与卫星平台配合，通过主平面天底和耀斑两种主要观测模式，才能对全球陆地和海面路径上二氧化碳的吸收光谱进行精确测量。为保证在轨获取光谱数据的精度，载荷需要进行对日、对月定标，这也需要卫星平台频繁调整姿态、翩翩起舞。中国碳卫星绝对是地球之上的灵魂舞者。

“很少有卫星冒险在天上不停地翻跟头，一般都要求卫星动作越少越好。这对卫星平台设计是很大的挑战。”碳卫星首席应用科学家卢乃锰说，“如果有一颗挂在地球之上的卫星，每天都在绕着地球跑圈，经过几个月，就能把全球每个角落的二氧化碳情况都看到。”

气候问题是全人类共同面对的问题，解决气候问题、监测碳排放也是需要世界各国努力合作的问题。李加洪曾谈到“做全球二氧化碳监测仅仅一两颗卫星是不够的，我国（碳卫星）是第三颗，欧洲也将碳卫星列入计划。我们希望通过这颗卫星和其他几个国家合作形成碳卫星‘虚拟星座，联合观测大气二氧化碳，为全球气候变化提供更加丰富的监测数据”。

正如习近平总书记在巴黎气候大会发言时强调，“应对气候变化是人类共同的事业……要推动建立公平有效的全球应对气候变化机制、实现更高水平全球可持续发展。”

中国碳卫星正是中国人民和中国政府积极参与应对气候问题、担负大国责任的体现。