嗅碳衛星那些事：保護地球大氣環境的利器

(專家：謝博，空間探測首席傳播專家，科普中國微平台原創首發)

今天凌晨3點22分，我國發射了首顆「碳衛星」，這也是繼日本、美國之後世界第3顆專門用於監測全球大氣中二氧化碳分布的衛星，最終將通過所獲得的數據掌握全球大氣中二氧化碳分布的情況。

「碳」究竟為哪般？

目前,人類每年因使用化石燃料向地球大氣中排放的二氧化碳超過300億噸，生物燃料、森林火災以及農業焚燒等每年共排放二氧化碳達55億噸。科學家認為，這些人類活動造成地球自然碳循環失衡，導致地球表面溫度上升和氣候變化。因此，對大氣二氧化碳水平的研究極為重要。要想真正有效地實施防止全球氣候變暖的各種措施，掌握氣候變暖的準確情況，首先就需監測全球碳排放，以便採取有效的應對措施，減小全球二氧化碳濃度。

其實，監測二氧化碳的工作在地面早已開展了，而且精度、時間解析度和可靠性均比較高，但為什麼近年還要發射碳衛星來進行監測呢？這是因為在地面監測二氧化碳存在成本高、難度大等困難，所以用於監測二氧化碳濃度分布的地面觀測點數量有限，且分布不均，至今全球的二氧化碳地面觀測站點僅有約300個左右，並大多位於美國、歐洲等。在南北兩極以及海洋、沙漠等地區缺少觀測站點，因此難以滿足監測全球二氧化碳分布和濃度的需求。

用衛星可使上述問題迎刃而解。用衛星監測全球的二氧化碳分布情況，具有監測範圍廣，能在全球範圍內確定二氧化碳濃度分布的優點，能快速、經濟、可重複地獲取大尺度上大氣中二氧化碳的信息，進而可提高人類對全球碳循環過程的理論認識，改進氣候變化預測結果的可信度和穩定性。

日美率先發射衛星

日本和美國是世界上最先發射專門監測二氧化碳分布和濃度衛星的國家。

2009年1月23日，日本發射了世界首顆從太空監測溫室氣體濃度分布的衛星呼吸號，用於從太空搜集全球二氧化碳和甲烷濃度分布信息，為制定減排政策提供證據，並幫助科研人員進一步了解生態系統究竟能吸收和釋放多少二氧化碳。

日本呼吸號衛星飛行示意圖

呼吸號衛星載有2台高精度的溫室氣體監測遙感器，其中1台是傅里葉變換光譜儀，用於探測二氧化碳和甲烷濃度；另1台是雲/氣溶膠探測儀，用於提高溫室氣體觀測精確度。由於呼吸號衛星技術水平有限，其所獲數據不太理想，為此，日本計劃在2017年發射更先進的呼吸2號。

2014年7月2日，美國成功發射了軌道碳觀測2號衛星。它裝載一種遙感器——高解析度成像光譜儀，可獲取迄今為止最高精度的大氣二氧化碳空間觀測數據，每16天採集約800萬個全球二氧化碳高精度測量數據。

美國軌道碳觀測2號衛星飛行示意圖

軌道碳觀測2號有微光、天底、目標三種工作模式，所提供的二氧化碳測量數據還有更廣泛的用途。例如，提供關於全球變暖的各種圖表、報告和互動功能。

通過軌道碳觀測2號所獲數據繪製的二氧化碳平均濃度圖片

美國已計劃研製更先進的軌道碳觀測3號，它將從世界上所有國家的上方飛過，以測量二氧化碳和甲烷的排放水平。

歐洲航天局也計劃研製一種先進的「碳觀測衛星」。

中國神「碳」將登場

我國即將發射的「碳衛星」的全稱叫「全球二氧化碳監測科學試驗衛星」。它重620千克，在距地700千米的太陽同步軌道上運行，裝有高光譜二氧化碳探測儀和起輔助作用的多譜段雲/氣溶膠探測儀，用於獲取全球尤其是我國及其它重點地區大氣中二氧化碳濃度分布圖，測精度達到1～4ppm（百萬分之幾），這一精度達到國際先進水平。

打造中的「碳衛星」

其原理是這樣的：由於大氣在太陽光照射下,二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性,所以「碳衛星」通過精細測量其光譜吸收線,就可以反演出大氣二氧化碳濃度，每隔16天可完成一次地球二氧化碳測繪，能分辨地面2平方千米的二氧化碳濃度。它有以下3種觀測模式：

天底觀測模式就是豎著看，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測。其空間解析度最高的，但只有在當太陽天頂角滿足設定要求時採用，衛星在海洋上空時，由於信噪比低，所以觀測數據無法反演出二氧化碳濃度。

對「碳衛星」高光譜二氧化碳探測儀進行測試

衛星在海洋上空時可採用耀斑模式，即斜著看，利用太陽在海面的鏡面反射提高信噪比，獲取海面上空的二氧化碳數據。具體說來就是當太陽光被洋面鏡面反射時，儀器指向最亮的反射區。採用這種模式可提供足夠的信噪比，反演出高精度的二氧化碳濃度。

目標模式用於跟蹤地面的特殊目標(如源排放區)，在約9分鐘的飛越目標區觀測期間內，這一模式可提供對觀測點的大量觀測數據。

我國「碳衛星」飛行示意圖

使用多譜段雲/氣溶膠探測儀,衛星可以排除雲和空氣中氣溶膠的影響,使二氧化碳監測數據會更加準確。

發射「碳衛星」，將使我國擁有第一手的全球遙感二氧化碳數據，極大提升我國在全球二氧化碳監測、排放方面的話語權，為我國在氣候變化研究、國際氣候變化談判等方面提供強有力的支持。它也將為全球氣候變化提供更加豐富的監測數據，將監測到的數據分享給全球的研究者，體現出負責任大國的擔當。

編輯：紀阿黎