近日，中國全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱“碳衛(wèi)星”)數(shù)據(jù)正式對(duì)外開放共享，這也意味著，繼美國、日本之后，中國成為第三個(gè)可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家。
這顆碳衛(wèi)星由中國自主研制，于2016年12月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。2017年1月12日成功開機(jī)，13日轉(zhuǎn)入在軌觀測(cè)任務(wù)模式并獲取首批觀測(cè)數(shù)據(jù)。碳衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總師楊忠東表示：“目前，整個(gè)碳衛(wèi)星從衛(wèi)星到地面已經(jīng)基本處于正常的業(yè)務(wù)運(yùn)行階段了。”
那么，碳衛(wèi)星是在什么背景下應(yīng)運(yùn)而生?身懷何種絕技?又是怎樣讓“碳排放”無處遁形的呢?今天，就請(qǐng)您跟隨小編一探究竟。
碳衛(wèi)星緣起
身負(fù)光榮使命
從未有任何一個(gè)問題，如“氣候變化”一樣，牽動(dòng)到世界上每一個(gè)人、甚至每一種生命。
全球變暖、溫室效應(yīng)、極端天氣、霧霾……每一個(gè)詞都如一把重錘，不時(shí)地敲打人類脆弱的文明。
在嚴(yán)峻的“氣候變化”形勢(shì)面前，減少二氧化碳等溫室氣體的排放已成為應(yīng)對(duì)“困局”的必然選擇?！堵?lián)合國氣候變化框架公約》的最終目標(biāo)就是“將大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在防止氣候系統(tǒng)受到危險(xiǎn)的人為干擾的水平上”。
碳排放的量化監(jiān)測(cè)是各國最終實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的重要技術(shù)基礎(chǔ)和保障，而所有的碳排放量監(jiān)測(cè)手段中，目前只有星載高光譜溫室氣體探測(cè)技術(shù)，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣中CO2等溫室氣體濃度進(jìn)行高精度探測(cè)，又能夠獲取全球各區(qū)域氣體濃度分布數(shù)據(jù)。
正因如此，各發(fā)達(dá)國家紛紛積極研發(fā)專用的、高精度溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星。但由于極高的技術(shù)難度，目前僅有兩顆衛(wèi)星從太空監(jiān)視地球溫室氣體排放：一顆是日本于2009年發(fā)射的溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星“呼吸”號(hào)(GOSAT)衛(wèi)星，另一顆是美國2014年發(fā)射的“軌道碳觀測(cè)者”(OCO-2)衛(wèi)星。
OCO-2衛(wèi)星
在這樣的背景下，“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱全球碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目)于2011年立項(xiàng)。經(jīng)過近6年的攻關(guān)研制，中國首顆二氧化碳觀測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年12月成功發(fā)射。
小個(gè)子大本領(lǐng)
碳衛(wèi)星的主載荷
碳衛(wèi)星是一顆高空間分辨率和高光譜分辨率的全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，以高光譜二氧化碳探測(cè)儀、多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀為主要載荷，監(jiān)測(cè)精度為1-4ppm，具備對(duì)全球、中國及其它重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)能力。
碳衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大氣溫室氣體探測(cè)是基于大氣吸收池原理，CO2、O2等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對(duì)吸收光譜的強(qiáng)弱進(jìn)行嚴(yán)格定量測(cè)量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應(yīng)用反演算法即可計(jì)算出衛(wèi)星在觀測(cè)路徑上CO2的柱濃度。
溫室氣體大氣吸收池原理示意圖
通過對(duì)全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型計(jì)算，可推演出全球CO2的通量變化(單位時(shí)間通過單位面積的CO2總量)，這正是碳循環(huán)研究的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
碳循環(huán)示意圖
要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀。該載荷采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06µm、1.6µm、0.76µm三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04nm，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而CO2探測(cè)儀可以把指紋放大一百倍，精細(xì)地測(cè)量每條指紋的寬度和深度。如此高的分辨率在國內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。
CO2探測(cè)儀通過一塊指向反射鏡對(duì)外部光線進(jìn)行收集，這塊指向鏡在設(shè)計(jì)時(shí)被巧妙地設(shè)計(jì)成“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測(cè)時(shí)折射光線;一面漫反射面，在定標(biāo)時(shí)對(duì)準(zhǔn)太陽，利用漫反射光來定標(biāo)儀器精度。
CO2探測(cè)儀使用的核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度要求，同時(shí)要能夠適應(yīng)苛刻的太空環(huán)境要求。為突破這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(chǔ)的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)攻克技術(shù)難點(diǎn)，最終在SiC基底上制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。
大面積全息衍射光柵
一個(gè)好漢三個(gè)幫
配角也不簡(jiǎn)單
一個(gè)好漢三個(gè)幫，碳衛(wèi)星另一臺(tái)載荷——多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀雖然不是主角，但也別小看它，它可以測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO2濃度，剔除干擾因素，帶來很多意想不到的收獲。
碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)
在項(xiàng)目立項(xiàng)論證時(shí)，云與氣溶膠探測(cè)儀只規(guī)劃了0.38mm、0.67mm、0.87mm、1.64mm四個(gè)光譜通道;但隨著地面應(yīng)用系統(tǒng)的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375mm探測(cè)通道，并在0.67μm和1.64μm波段實(shí)現(xiàn)0°、60°、120°三個(gè)方向的偏振測(cè)量功能。
為了獲取更加豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組成員克服困能，重新對(duì)儀器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，按照應(yīng)用系統(tǒng)的需求增加了相應(yīng)的探測(cè)通道。
圖為多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀特寫
增加探測(cè)通道后，利用偏振信號(hào)對(duì)氣溶膠敏感而對(duì)地表不敏感的特點(diǎn)，可以提取氣溶膠光學(xué)厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標(biāo)量信號(hào)對(duì)地表敏感的特點(diǎn)，經(jīng)過大氣訂正，得到地表反射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠和地表反射率的同時(shí)反演。
這樣不僅可以獲取全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。
碳衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)
用青春書寫綠色使命
2011年，碳衛(wèi)星項(xiàng)目正式啟動(dòng)。鑒于項(xiàng)目意義大、技術(shù)指標(biāo)高、研制周期緊等特點(diǎn)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所以“天宮一號(hào)”超光譜成像儀研制團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)，組建了一支既有一定工程經(jīng)驗(yàn)、又年輕富有戰(zhàn)斗力的科研團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，“碳衛(wèi)星”載荷研究團(tuán)隊(duì)32人，平均年齡不到33歲，其中CO2探測(cè)儀負(fù)責(zé)人研究員鄭玉權(quán)39歲，CAPI探測(cè)儀負(fù)責(zé)人顏昌翔研究員38歲。正是這樣一支年輕的隊(duì)伍，開啟了碳衛(wèi)星載荷研制攻堅(jiān)戰(zhàn)。
6年中，研究團(tuán)隊(duì)沉著應(yīng)對(duì)種種困難，按照關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和航天工程實(shí)施兩條線索開展工作。先后完成了兩臺(tái)載荷的設(shè)計(jì)、原理樣機(jī)研制及驗(yàn)證、初樣載荷研制、航空校飛試驗(yàn)等工作，突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。取得突破的過程中，也凝聚了團(tuán)隊(duì)成員大量的心血。由于儀器性能要求，CO2探測(cè)儀在軌時(shí)需要在零下20度溫度條件工作，由此要求儀器的所有組件裝配均需要在零下20度低溫下進(jìn)行。當(dāng)室外氣溫已經(jīng)升至20℃時(shí)，裝調(diào)小組的幾個(gè)年輕人需要穿著厚厚的羽絨服，在零下20℃的低溫箱中進(jìn)行光機(jī)裝調(diào)，而這樣的工作一開始就要持續(xù)2-3個(gè)月。
整個(gè)載荷主體，橫豎1平方米。當(dāng)它身披著“黃金圣衣”沖向宇宙時(shí)，便擔(dān)負(fù)起保護(hù)人類、控制溫室氣體排放的神圣使命。而中科院長(zhǎng)春光機(jī)所碳衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)的小伙子們，也隨著項(xiàng)目的完成邁入了而立之年。他們從無到有，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破;又迎頭趕上，比肩國際先進(jìn)水平。他們?cè)?ldquo;碳索”的過程中，用青春譜寫了科研夢(mèng)!
