那颗卫星能,地球体检师

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以二氧化碳为主的温室气体排放通常被认为是影响气候变化的重要因素。但各国排放了多少二氧化碳,它怎样在全球流动,至今缺乏完备、可信服的基础数据。12月22日凌晨,我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉成功发射,它将监测大气中二氧化碳浓度1%的细微变化,给出二氧化碳在不同季节、不同地区排放的“体检报告”,能提升我国在气候变化谈判等问题上的国际话语权。

照片均由记者杜芳摄

为什么发

12月22日3时22分,酒泉卫星发射中心,全球二氧化碳监测科学试验卫星发射升空。这是首颗中国籍碳卫星,它将带着为地球体检的使命,从遥远的太空探视全球二氧化碳分布的秘密,摸清全球气候变化的“病因”。“地球体检师”为何要远赴太空看病?它的技术水平如何?其到达太空后将如何履行使命?《经济日报》记者带您一探究竟。

全球尺度上获取二氧化碳变化情况,填补技术空白,提升国家话语权

为气候变化“号脉”

过去150年来,大气中的二氧化碳的浓度从280ppm上升到400ppm,二氧化碳等温室气体引发的“温室效应”,被认为是全球变暖的罪魁祸首。

气候变化让地球上很多地方出现种种天气的怪现状,包括冬天不那么冷了、极端天气增多、时而旱况连连,时而又水涝成灾……从人类有限的对大气二氧化碳的地面直接观测史来看,150年来,大气中的二氧化碳浓度已从280ppm上升到400ppm,这相当于给地球又盖了层“棉被”,导致过去100年全球平均气温上升了约0.7℃。

持家得先有账,收支清楚才能找出温室气体与气候变化之间的关系。“动态监测二氧化碳排放,对人类应对气候变化的影响有重要意义。”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说。

科学家对此非常担心,如果照此态势发展下去,人们眼前可以看到的是冰川融化,感知到的将是灾害性天气频发,强度增大,人类的生产生活将随之改变。“研究人员对气候变化进行模拟发现,如果碳排放继续上升超过一个极限之后,届时即便是想尽办法降低二氧化碳排放,地球大气中高浓度的二氧化碳也将长期存在,气候变化将产生不可逆的后果。”碳卫星首席应用科学家、国家卫星气象中心总工卢乃锰说。

此前,人类一直是通过地面站点监测二氧化碳排放。虽然地面观测的绝对精度比卫星观测精度高,但地面监测站数量有限,没法得出全球范围二氧化碳的空间分布情况。卢乃锰介绍,截至2010年左右,全球地面观测站点仅有200多个,且不能监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量。

应对气候变化是牵动每个国家、每个生命的课题。观测和研究表明,二氧化碳、甲烷等大气温室气体及臭氧、气溶胶等是影响气候变化的关键因子,其中二氧化碳的作用最大。通过卫星遥感手段实现对全球气候变化敏感因子的连续观测是评价和应对气候变化的有效途径。

如果说监测各个区域二氧化碳浓度变化是账目的“明细”,二氧化碳在全球的流动情况则是“总账”。而单个站点的持续观测,只能了解某个较小区域二氧化碳浓度的变化。要认识全球碳循环规律,就需要一种可以连续在全球尺度上获取高精度的二氧化碳流动的手段。搭载温室气体探测仪器、借助卫星遥感,是目前获取全球各区域气体浓度切实可行的手段。

因此,发达国家纷纷积极研发专用的高精度的温室气体观测卫星,由于技术难度大,目前仅有两颗卫星巡天勘“碳”:2009年,日本发射了世界首颗温室气体观测卫星,同年,美国的碳卫星首次发射失败,后于2014年再次发射其替代者OCO-2。

利用卫星监测二氧化碳成为科技发达国家竞争的焦点。2009年日本发射了世界首颗温室气体观测卫星;2014年美国发射了二氧化碳监测卫星OCO—2。

“探测二氧化碳分布不仅仅是科学问题,也涉及政治及环境外交问题。我国在应对气候变化的国际谈判中是否能有话语权,必须清楚全球的碳收支情况。因此独立自主发展自己的碳卫星,实现对全球碳排放的观测,非常重要。”卢乃锰说。

碳卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院研究员尹增山介绍,碳卫星发射成功并经过半年的在轨测试后,将正式投入运行,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解析和处理,就能形成不同地区碳排放报告。

基于此,早在2009年,中国就开始紧锣密鼓地对碳卫星项目进行论证;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”。经过近6年的攻关研制,我国首颗碳卫星TANSAT终于在2016年末发射成功,填补了我国碳卫星的空白,而且仪器设计不仅不亚于美日的水平,还有自己的独到之处。

“采用碳卫星收集全球碳排放的长期数据,通过数据对照就能看出全球各个地方碳排放的变化。”碳卫星二氧化碳探测仪负责人、中科院长春光机所研究员郑玉权说。此前,人们往往根据某个国家或地区的化石能源消耗量、效率来判断,但这种方式缺乏科学依据,且目前多由各国单独统计,难以得出全球二氧化碳的分布和变化趋势。郑玉权说,发射碳卫星,不仅能填补我国在温室气体监测方面的技术空白,还能掌握在全球气候谈判、未来碳交易等上的主动权。

“日本的碳卫星每天的有效观测点只有300多个,相当于地球几十万平方公里范围内只有一个观测点,而我国卫星扫描宽度相对而言更宽,能达到20公里。此外,我国碳卫星的有效采样点比GOSAT高一个量级,相当于它的10倍。”卢乃锰说。

如何监测

除对二氧化碳观测外,我国碳卫星还可同时观测气溶胶。“二氧化碳和气溶胶异常更多是人类活动的产物,加载云与气溶胶探测仪,实现联合观测,不仅可以解决对二氧化碳监测的‘噪音’干扰问题,提高反演精度,而且对于科学分析两者之间的联系非常有利。”卢乃锰说。在这一点上,美国碳卫星没有考虑,日本的则考虑不足。

通过精细测量光谱信息,了解全球二氧化碳的变化情况

卫星发射后,将定期提供我国及全球二氧化碳浓度分布图,从图上能够分辨二氧化碳随季节、区域的变化,从而监测各国家、地区的碳排放情况,摸清全球碳排放家底,这将为全球气候研究提供依据,为保护地球环境和应对气候变化作出积极贡献。

碳卫星给全球做“碳普查”,是基于大气吸收池原理。卫星从太空观测经地表反射的太阳光,太阳的光谱是确定的,但大气层中不同气体成分吸收的光不一样。比如,二氧化碳在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收,从而能形成独特的大气吸收光谱。某个区域大气层中二氧化碳浓度轻微的变化,就会带来吸收光谱线强度的变化,碳卫星记录的就是这些光谱信息。

跳着“华尔兹”巡天

郑玉权说,碳卫星精细测量后得到光谱吸收线,光谱线信息通过数据的方式传输到地面。数据本身并不能看出二氧化碳浓度,需要通过建立模型来演算。在这些数据的基础上,还可进一步推演出全球二氧化碳的流动情况。

相比发射卫星从上往下监测二氧化碳,其实通过地面系统从下往上看更容易操作。据不完全统计,在2010年左右,全球的二氧化碳地面观测站点就有200多个,它们已经对大气中的二氧化碳等温室气体进行观测并且获得了全球一些区域气体浓度分布数据。既然全球有这么多观测点可以采集大气中二氧化碳浓度的相关数据,为什么还要发卫星?卫星在天上如何获得精确的相关探测数据呢?

“以往气象卫星所涉及的演算问题,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演算问题,机理不同,难度加大。这需要考虑云与气溶胶、气压、温度、反照率等多因素的影响,重新设计全新的演算验证系统。我们集中国内优势单位联合攻关,终于填补了国内技术空白。”卢乃锰说。

据中国科学院微小卫星创新研究院专家介绍,相比庞大的地球而言,地面监测站数量有限,难以获得全球的数据,全球碳收支的总账还不清楚,所以需要一种全球范围区域尺度二氧化碳的测量手段。全球碳卫星发射后,不仅会明确各国碳收支的明细,还将有助于提高对全球碳循环机制的认识,从而改进气候变化预测结果的可信度和稳定性。

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,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。

卫星系统总设计师尹增山表示,当今碳循环科学面临的最大问题是,在洲际、区域和局部尺度上无法观测获取量化的、精度高的碳通量信息,需要一种可以不断在全球尺度上获取高精度通量的手段。而利用卫星进行全球二氧化碳监测已经成为重要手段。

国家卫星气象中心副主任、碳卫星地面应用系统总指挥张鹏说,大气中二氧化碳的浓度监测的精度优于4ppm,而大气中二氧化碳的浓度只有万分之四左右,也就是说,在如此低浓度的二氧化碳中,只要有1%的变化,探测仪就必须要发现。为了达到监测要求,郑玉权介绍,二氧化碳探测仪实现了天基0.04纳米级超高光谱分辨率,拥有2000多个通道,对光谱的解析极其精细。

究竟卫星在太空如何探测二氧化碳呢?其实,碳排放的秘密就暴露在阳光下。据卢乃锰介绍,碳卫星对二氧化碳的测量原理,是通过“二氧化碳对太阳光的吸收谱线”来实现的,二氧化碳探测仪从太空观测地气系统反射的太阳光,利用气体分子的吸收特性,测量出吸收谱线强度变化,从而推算出大气中二氧化碳的浓度。

一个好汉三个帮,我国碳卫星还搭载了另一台载荷——云与气溶胶探测仪。该探测仪主要测量云、大气颗粒物等辅助信息,为精确演算二氧化碳浓度剔除干扰因素。

碳卫星有几种观测模式。一种是“斜着看”,即“耀斑观测模式”,利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比,获取海面上空的二氧化碳数据。一种是“竖着看”,即“天底探测模式”,利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测。还有一种是“盯着看”,即卫星在飞行过程中,“目光”始终驻留在特定目标上,完成精细观测和验证任务。

“二氧化碳演算会受到云与气溶胶、气压、温度等多因素影响,云与气溶胶探测仪测量到云、大气颗粒物等信息,演算时把它们当作一个参数带入数据中,就最大程度排除它们的干扰。从而对二氧化碳的探测结果进行修正,大大提高演算精度。”郑玉权说。

卢乃锰告诉《经济日报》记者,由于太空环境恶劣,时间一长,元器件容易老化,卫星定标系统可能发生变化,监测就不准了,所以卫星用一段时间,需要标定一下。卫星有两种定标模式,一种是以太阳为参照物,盯着太阳定标,由于太阳的光谱非常稳定,因此可以利用太阳光作为标准源标定仪器的观测值;还有一种模式是看月亮,月亮光比较暗,卫星飞到看不到太阳的时候,就掉个头看月亮定标。不断定标加上多种观测模式交互进行,碳卫星就要不断调整姿态,在巡天勘“碳”的过程中跳起“华尔兹”。

此外,获取的全球尺度气溶胶数据,还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,为研究大气污染成因提供重要数据支撑。

“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。为实现全球二氧化碳监测,需要碳卫星在天上翩翩起舞,对卫星平台设计是很大的挑战。”卢乃锰说。为此,卫星平台研究人员攻克了“复杂姿态指向控制技术”难题,给卫星配备了复杂姿态控制系统,使它可以在太空中实现天底观测、耀斑观测、目标观测、对日对月定标等多种模式的观测。

怎样工作

按时分区提交“体检报告”

观测时就像“跳舞”,要斜着看、竖着看、盯着看

碳卫星是我国民用卫星里最敏捷的。它到达太空后,将每16天对地球进行一次体检,分辨率达到2×2公里,检测的数据发送给地面。经过2至3个月的数据累计,碳卫星的观测就可以完成对整个地球的全覆盖。通过解析和处理可以最终形成不同季节、不同地区排放情况的“体检报告”。

张鹏介绍,碳卫星发射入轨之后,将开始长达3年的工作,每天记录长达约10小时的数据,定期提供我国及全球二氧化碳浓度分布图并为全球气候研究提供依据。

这个报告将是一份高质量的报告。碳项目要求,对大气中二氧化碳的浓度监测的精度优于4ppm,而在大气中,二氧化碳的浓度只有约万分之四,如此低浓度的二氧化碳,只要有1%的浓度变化,碳载荷就必须能发现。为此,碳载荷研究人员采用了大面积光栅分光技术,使得卫星的光谱分辨率超过一般高光谱载荷1至2个数量级。

碳卫星在太空如何工作?“这颗卫星需要在太空中跳舞,既要会跳华尔兹还要能翻筋斗。”卢乃锰说。

碳卫星在天上忙碌,还要有一套完善的地面应用系统与之配合。中国气象局国家卫星气象中心承担此重点项目中“地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统”的课题研究,目标是建立地面数据处理与二氧化碳反演验证系统,形成对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度监测能力,使我国在大气二氧化碳观测方面达到国际先进水平。国家卫星气象中心科技人员联合中科院大气所等国内优势单位,依托风云三号地面应用系统工程,通过精心设计和适用性改造,建立了由风云三号佳木斯、乌鲁木齐、瑞典基律纳站组成碳星的接收站网,实现了对碳卫星全球数据的接收和处理。

卢乃锰之所以说“跳舞”,是因为卫星观测模式比较复杂,需要在太空不停地旋转,要斜着看、竖着看、盯着看。斜着看,就是耀斑观测模式,利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比,获取海面上空的二氧化碳数据;竖着看即天底观测模式,在地面进行二氧化碳的观测;盯着看,就是卫星在飞行过程中,始终瞄准一个特定目标进行观测,完成既定任务。除此之外,碳卫星还要观测太阳和月亮,进行对日、对月定标。

卢乃锰表示,这并非易事。研究人员需攻克“二氧化碳高精度反演技术”等一系列难关,研究光谱和辐射高精度定标技术,开发高精度的数据预处理和产品生成系统,获得相对误差小于1%的全球二氧化碳浓度分布图。

这种复杂和高难度的“跳舞”,是为了让卫星能够更加有效地观测全球二氧化碳分布信息。“海面反射的光很弱,比如我们拿一个手电筒竖着照在海面,光很多都被吸收了,但如果斜着照射,我们就能看到波光粼粼。碳卫星经过海平面时,也需要相应调整‘舞姿’。”郑玉权说。

全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范项目具有广泛的应用前景,待卫星发射入轨之后,碳卫星将开始长达3年的工作,利用白天的分分秒秒,每天记录长达约10小时的数据,这将成为我国第一手的二氧化碳监测数据。

“大家看到卫星在天上翩翩起舞,觉得很美,但搞卫星的人通常一听到这种需求就心惊肉跳。”卢乃锰说,高精度的观测对卫星技术要求极高,卫星平台研究人员攻克了“复杂姿态指向控制技术”难题,给卫星配备了复杂姿态控制系统,使它可以在太空中实现多种模式的观测。

目前,正值巴黎协定正式生效,我国处于经济发展转型期,大气环境保护、环境外交以及生存与发展的矛盾带来的压力十分巨大。这迫切需要发展卫星大气温室气体业务监测能力,为全面理解和掌握气候变化的事实和科学规律、加强应对气候变化能力建设提供客观科学依据。因此,可以说,碳卫星是一颗担当之星。

卢乃锰介绍,日本GOSAT的有效观测点只有300多个,我国碳卫星在设计时加大了扫描宽度,增加了采样点,观测效果提升数倍。

(原载于《经济日报》 2016-12-23 15版)

监测全球二氧化碳一两颗卫星远远不够,我国发射的是全球第三颗,不久将来欧洲也将加入碳卫星计划。“我们希望和其他国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’,联合观测大气二氧化碳”。卢乃锰说。据介绍,我国已经制定了数据管理办法,将适时对外发布。

(原载于《人民日报》 2016-12-2317版)

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