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中国碳卫星“把脉”全球大气 未来有望测雾霾

时间:2017年01月16日 信息来源:人民日报海外版 点击: 【字体:


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近日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称“碳卫星”)。这是我国首颗专门用于监测全球大气中二氧化碳含量的卫星,搭载了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等设备。这也是继美国、日本之后的全球第三颗碳卫星。为什么要发射这样一颗卫星?监测二氧化碳状况意义何在?怎么监测到二氧化碳?这颗卫星还携带了哪些“高精尖”科技设备呢?


“碳排放”数据 中国需要话语权


温室效应正直接威胁着全人类的生存和发展,在如此严峻的形势下,减少二氧化碳等温室气体的排放成为必然选择。为了达到巴厘路线图的“三可”量化减排目标(可测量、可报告、可核查)和相应计量方法,各国政府都迫切希望能有切实可行的测量方法和技术,为全球碳循环的研究提供可信的数据支持。


地面观测点能搜集大气中的二氧化碳数据,为什么还要发射卫星?碳卫星工程地面应用系统总设计师杨忠东说,全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个,难以满足监测需求,只有用卫星俯瞰,才能绘制二氧化碳分布的全景图。


正因如此,各发达国家纷纷研发专用卫星。由于技术难度极高,目前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放:一颗是日本于2009年发射的温室气体观测卫星“呼吸”(GOSAT)号;另一颗是由美国2014年发射、专门用于大气二氧化碳浓度测量卫星OCO—2卫星。


据科技部国家遥感中心总工程师李加洪介绍,我国发射的碳卫星通过地面数据接收、处理与验证系统,定期获取全球二氧化碳分布图,使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。“持家先要有账本,这个‘账本’就是我们自己监测到的碳排放量。在碳排放数据上知己知彼,对提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。” 李加洪说。


自备“千里眼” “看”颜色辨气体


碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理,二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收,形成特征大气吸收光谱,对吸收光谱的强弱进行严格定量测量,应用反演算法即可计算出卫星在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,并借助数据同化系统的一系列模型计算,可推演出全球二氧化碳的通量变化(单位时间通过单位面积的二氧化碳总量),这正是碳循环研究的核心数据基础。


要获取高精度的大气吸收光谱,并识别出哪些是二氧化碳,还要作出一张张“动态图”,碳卫星就需要借助特制的“千里眼”,它就是碳卫星的主载荷——高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪,其工作原理是在可见光和近红外谱段,利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。


用通俗的话说,就是通过“看颜色”来识别二氧化碳气体。中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员郑玉权解释,太阳光经过空气时,空气中的二氧化碳分子对许多精细的颜色有了不同程度吸收。通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测量,可以反向推算出二氧化碳分子数量,从而得知大气中的二氧化碳浓度。


另外,探测仪采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分,能够探测三个大气吸收光谱通道,最高分辨率达到0.04nm,如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制上尚属首次。


多种观测模式 “跳着”华尔兹


碳卫星很小,但它却是我国迄今为止观测模式最复杂的民用卫星,它通过多种观测模式的组合,让碳排放无处遁形。


二氧化碳探测仪与卫星平台配合,通过主平面天底观测和耀斑观测两种主要观测模式,对全球陆地和海面路径上二氧化碳的吸收光谱进行精确测量:斜着“看”,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”,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。


为保证在轨获取光谱数据的精度,载荷需要在轨进行对日、对月、对地定标:白天对日定标,利用太阳作为标准源,标定仪器的观测值;夜里对月定标,利用月亮作为标准源,标定仪器的观测值;对地定标,利用地面高精度测量设备,提高数据一致性。由于多种观测模式要交互进行,还要每一圈进行定标,卫星就要不断地调整姿态,就像跳起了太空华尔兹。


碳卫星运行后,每16天对地球进行一次全面体检,科学数据将依托风云系列地面接收站资源完成数据下传。这些数据并不是直接可用的二氧化碳浓度分布,需要经过大气物理学家进行高精度的全球二氧化碳分布反演计算,才能最终形成不同季节、不同地区排放情况的 “体检报告”。


搭载“高精尖” 未来有望测雾霾


碳卫星上除了搭载二氧化碳探测仪,还有另一件“利器”——多谱段云与气溶胶探测仪。虽然其不是“主角”,但是却可能带来许多意想不到的收获。


在碳卫星立项论证时,云与气溶胶探测仪只规划了4个光谱通道,但随着地面应用系统的不断论证,根据需要又做了进一步调整,增加了相应的通道。增加探测通道后,可以提取气溶胶光学厚度,经过大气订正,得到地表反射率,从而实现对气溶胶和地表反射率的同时反演。这样不仅可以获取到全球尺度气溶胶数据,为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素,还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。有研究人员表示,具体如何监测雾霾,要等碳卫星传送回第一份数据后再做分析判断。另外,除精确测量、排除测量干扰外,若要实现最终任务目标,需要多个大系统协调配合,碳卫星按照航天工程模式组成了卫星、运载、发射场、测控、应用5大系统。


碳卫星升空肩负着巨大的使命,除了进行相关科学试验,更好地掌握二氧化碳的全球分布规律、机理,还有巨大的应用价值。“后期卫星传送的信息进行处理、加工、分享、服务时都会按照应用需求,与其他国家共享,同时有效指导我国的节能减排。”李加洪说。


(作者:佚名)
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