如何"看清"大气中的二氧化碳

林莉文

为何发射碳卫星

二氧化碳是温室气体的主要组成部分，它就像地球上空的一个罩子，会吸收地表反射的长波辐射，造成全球变暖。尽管全球变暖问题一直是全球关注的热点，但对全球大气碳含量的空间分布情况等问题，数量有限的地面监测站往往难以提供准确、全面的数据。

2009年，日本发射了世界上首颗温室气体观测卫星GOSAT;2014年，美国紧随其后，发射OCO-2卫星。2016年，我国正式发射了首颗碳卫星，它搭载了超高精度的探测仪，能够探测到大气中二氧化碳1%的浓度变化，并且能够实现二氧化碳探测的全球覆盖。对于碳排放数据的监测，中国唯有拥有自主数据，做到知己知彼，才能在全球气候谈判中掌握主动权，提升话语权。

碳卫星档案

我国发射的碳卫星是一颗极轨卫星，它每天在地球上空700千米高度的轨道上围绕地球经南北两极运行，平均每天围着地球“跑”14—15圈，给地球上空的大气作“扫描”。碳卫星每轨能收集轨道东西向20千米范围内的大气环境信息，这样，碳卫星一天便能获取覆盖约300平方千米区域范围内的数据。按理论计算，如果拥有140天、2000条轨道的观测数据，就能获得一张无缝隙、覆盖全球的二氧化碳监测图。

科学家们用“会跳舞”来形容这颗碳卫星在监测二氧化碳的过程中所呈现的动态运行轨迹。要想“翩翩起舞”，碳卫星首先需要一种轻盈的身姿。碳卫星属于微小卫星，身材娇小，质量“瘦身”到仅有约600千克。

与以往只用单一对地姿态探测地球的气象卫星不同，碳卫星采取了几种交互观测模式：耀斑观测模式利用太阳光在海面的镜面反射获取海面上空的二氧化碳数据;天底观测模式利用地面的漫反射特性開展对地面二氧化碳的观测;在目标模式状态下，碳卫星可与地面二氧化碳观测站高精度测量设备实现相互比对，校验数据。因此，碳卫星可谓神通广大、明察秋毫，不会放过二氧化碳的任何蛛丝马迹。

怎样“捕捉”二氧化碳的踪迹

大气中存在多种气体以及悬浮的液态和固态物质，“狡猾”的二氧化碳便隐藏其中，浓度只有万分之四左右。那么，碳卫星又是如何从成分众多的大气中，识别并“看”清含量微小的二氧化碳气体的呢？

碳卫星上搭载有两个“秘密武器”——“高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪”和“多谱段云与气溶胶探测仪”。正是这两个超高精度遥感探测仪，给碳卫星配备了一双“火眼金睛”。

二氧化碳探测仪主要通过二氧化碳分子吸收太阳辐射的情况来探测二氧化碳的浓度。太阳辐射经过大气时，二氧化碳分子对太阳辐射中许多不同波长的光有不同程度的吸收。通过光学仪器对光谱吸收结构的精准测量和分析，便可以反向推算出二氧化碳分子的数量，从而得知大气中二氧化碳的浓度。

二氧化碳探测仪上的精细结构很多，如大面积的光学精细结构——衍射光栅，它能将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再聚焦而形成光谱。光栅如同微型结构的细密梳子，在相当于头发丝粗细的宽度上便设有数百条狭缝，能使通过的光线产生精细的光谱结构，而二氧化碳探测仪则主要是通过看光谱结构的“颜色”来识别并反推出二氧化碳气体的含量的。

碳卫星上搭载的多谱段云与气溶胶探测仪的作用也不容小觑。当太阳光辐射进入大气后，会受到分子散射、云和气溶胶散射的影响，部分太阳光还会被其他气体（如水蒸气和甲烷）吸收，这些都会对观测结果产生影响。多谱段云与气溶胶探测仪可探测雾霾，测量云、大气颗粒物等，为二氧化碳测定这条“数据生产加工线”剔除诸多的干扰因素。而且，对颗粒物和雾霾等污染物的监测也能有效提高天气预报的准确性。