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人民日报海外版 2016年12月23日 星期五

国内首颗二氧化碳监测卫星成功发射

全球碳排放有了中国数据

本报记者 喻思娈 刘 毅

《 人民日报海外版 》( 2016年12月23日   第 02 版)

  图为12月22日3时22分,中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射升空。
  任 晖摄(新华社发)

  12月22日凌晨,中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星(以下简称“碳卫星”)在酒泉成功发射,将监测大气中二氧化碳浓度1%的细微变化,给出二氧化碳不同季节、不同地区排放的“体检报告”,提升中国在气候变化谈判等问题上的国际话语权。

       

  ■ 为什么要发射碳卫星

  过去150年来,大气中二氧化碳的浓度从280ppm(百万分之一)上升到400ppm,二氧化碳等温室气体引发的“温室效应”,被看作是全球变暖的罪魁祸首。但各国排放了多少二氧化碳,它又怎么在全球流动,全球至今缺乏完备、可信服的基础数据。

  “动态监测二氧化碳排放,对人类更好地应对和减缓气候变化的影响有很重要的意义。” 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。

  卢乃锰介绍说,发射卫星到太空监测之前,人类通过地面站点监测二氧化碳排放情况。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。截至2010年,全球的二氧化碳地面观测站点仅200多个,且不能监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量。“要把全球情况搞清楚,只靠地面观测远远不够。”

  利用卫星监测二氧化碳成为科技发达国家竞争的焦点。早在2009年,日本发射了世界首颗温室气体观测卫星(GOSAT)。2014年,美国成功发射了二氧化碳监测卫星OCO—2。去年底,美国国家航空航天局公布了首张全球二氧化碳分布图。

  “我们不仅要知道自己家里的情况,还要知道其他国家的情况,才能掌握全球气候谈判和未来碳交易的主动权。” 卢乃锰说。

  ■ 如何监测二氧化碳

  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2—3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,就会形成不同地区碳排放报告。

  碳卫星给全球做“碳普查”,基于大气吸收池原理。通俗地说,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,吸收的光是不一样的。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,从而能形成有独特身份标识的大气吸收光谱。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。

  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解释说,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,再通过模型反演出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,借助数据分析模型,就可推演出全球二氧化碳的通量变化,及二氧化碳在全球的流动情况,从而获得研究全球碳循环的基础核心数据。

  “以往气象卫星所涉及到的反演问题,大多集中在红外和微波谱段,而碳卫星所涉及到的是可见光和近红外谱段的反演问题,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,重新设计全新的反演验证系统。我们集中国内优势单位联合攻关,终于啃下了这块硬骨头,填补了国内技术空白。”卢乃锰说。

  ■ 光谱分辨精度有多高

  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,探测仪就必须要监测发现。

  郑玉权介绍,要获取高精度的大气吸收光谱,达到监测要求,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。这个探测仪实现了天基0.04纳米级超高光谱分辨率,拥有2000多个通道,对光谱的解析达到了极其精细的程度。

  郑玉权说,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,为精确反演二氧化碳浓度剔除干扰因素。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PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

  ■ 碳卫星太空如何工作

  卢乃锰形象地说:“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’。”

  为什么要“跳舞”?这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,利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测;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。

  卢乃锰说,监测全球二氧化碳,一两颗卫星远远不够,我国发射的全球第三颗,不久的将来,欧洲也将加入碳卫星计划。“我们希望这颗卫星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,为全球气候变化提供丰富的监测数据”。

  据介绍,我国已经制定了数据管理办法,将适时对外发布。碳卫星数据将加载到国家综合地球观测数据共享平台,除向国内各类用户提供数据共享服务外,还将通过全球生态环境遥感监测年度报告发布专题报告。

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