我國首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。中科院聲像中心 任暉攝

　　我國二氧化碳監(jiān)測水平躋身世界前列

　　根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告，受人類活動的影響，主要溫室氣體二氧化碳和甲烷的濃度已上升到2500萬年以來的最高值，且依然呈上升趨勢，地表溫度也在逐年升高。溫室效應(yīng)正直接威脅著全人類的生存和發(fā)展。精確監(jiān)視全球二氧化碳的排放狀況已成為有效開展氣候變化研究和應(yīng)對的迫切要求。

阿拉斯加冰川過去30年消融的景象，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　本次發(fā)射的碳衛(wèi)星作為我國首顆用于監(jiān)測全球大氣二氧化碳含量的科學實驗衛(wèi)星，圍繞全球氣候變化這一當今國際社會普遍關(guān)心的全球性重大問題，以大氣二氧化碳遙感監(jiān)測為切入點，利用高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀等探測設(shè)備，通過地面數(shù)據(jù)接收、處理與驗證系統(tǒng)，定期獲取全球二氧化碳分布圖，大氣二氧化碳反演精度將優(yōu)于4ppm，使我國在大氣二氧化碳監(jiān)測方面躋身國際前列。

　　碳衛(wèi)星是國家科技部為應(yīng)對全球氣候變化、提升我國全球二氧化碳監(jiān)測能力部署的一項重大任務(wù)。通過863計劃地球觀測與導航技術(shù)領(lǐng)域“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項目立項實施。由中科院國家空間科學中心負責工程總體;中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負責衛(wèi)星系統(tǒng)，中科院長春光學精密機械與物理研究所研制有效載荷;中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心負責地面數(shù)據(jù)接收處理與二氧化碳反演驗證系統(tǒng)的研制、建設(shè)和運行。

　　負責本次發(fā)射任務(wù)的為長征二號丁運載火箭。本次發(fā)射還搭載發(fā)射中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院自主安排研制的1顆高分辨率微納衛(wèi)星和2顆高光譜微納衛(wèi)星。

　　小衛(wèi)星肩負大使命

工作人員在低溫實驗室進行儀器調(diào)試，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　22日凌晨3時22分，我國首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空。它成為巡游在地球上空700公里的第三位全球二氧化碳“體檢師”。碳衛(wèi)星將在宇宙中跳起“華爾茲舞步”，不斷變換觀測模式，完成對全球二氧化碳的監(jiān)測，并借助模式同化和反演技術(shù)，最終形成全球碳排放情況的“體檢報告”。

　　“小衛(wèi)星肩負大使命?！眹疫b感中心總工程師李加洪說。監(jiān)測全球二氧化碳分布情況，這是中國應(yīng)對全球氣候變化采取的積極行動，也體現(xiàn)了我國的“大國擔當”。而且，“知己知彼”，才能在全球氣候談判中掌握主動權(quán)，發(fā)出“中國聲音”。

　　二氧化碳濃度監(jiān)測，不是想測就能測

　　二氧化碳濃度監(jiān)測，不是你想測，想測就能測。目前為止，只有美國和日本發(fā)射了自己的碳衛(wèi)星。

美國OCO-2衛(wèi)星，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　二氧化碳在大氣中的濃度本就非常低。碳衛(wèi)星總設(shè)計師尹增山介紹，從2011年到2016年年底，經(jīng)過近六年研制，我國碳衛(wèi)星探測精度達到了優(yōu)于4ppm(百萬分比濃度)。也就是說，當大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時，碳載荷就會發(fā)現(xiàn)。

　　如何發(fā)現(xiàn)?實際上，碳衛(wèi)星對二氧化碳濃度采用的是“間接測量”法。大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現(xiàn)光譜吸收特性，碳衛(wèi)星通過精細測量其光譜吸收線，可以反演出大氣二氧化碳濃度。

　　但這根線非常窄。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二氧化碳探測儀。二氧化碳探測儀核心的技術(shù)指標和難點就是要同時實現(xiàn)高光譜分辨率和高輻射分辨率，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而二氧化碳探測儀可以把指紋放大一百倍，精細測量每條指紋的寬度和深度。

　　“要達到這么精細的分辨率，必須要有大面積光柵?！敝锌圃洪L春光機所研究員鄭玉權(quán)告訴記者，為突破這項關(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)，一點點攻克技術(shù)難關(guān)，最終在碳化硅基底上制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗中進行了驗證。

　　碳衛(wèi)星探測儀上的大面積衍射光柵，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，這樣的分辨率，在國內(nèi)光譜儀器的研制上也尚屬首次。

　　說起研制過程，鄭玉權(quán)感慨頗多。六年的載荷研制，是預(yù)研攻關(guān)和工程實施的結(jié)合。他們從“無”到“有”，實現(xiàn)技術(shù)突破;又迎頭趕上，比肩國際先進水平?！胺凑?，遇到問題的彷徨、解決問題的艱辛和最終找到答案的歡樂，我們?nèi)珖L遍了?！?p>　　碳衛(wèi)星上的“配角”

　　將為研究霧霾提供重要數(shù)據(jù)支撐

　　碳衛(wèi)星上的“配角”——云與氣溶膠探測儀也不可小覷。氣溶膠，通俗點說，就是大氣中的塵埃。探測儀可以幫忙排除探測時云和氣溶膠的影響，提升二氧化碳探測數(shù)據(jù)的可靠性。碳衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師楊忠東表示，從設(shè)計能力上來講，這款探測儀可以為研究霧霾提供重要數(shù)據(jù)支撐。

碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　“碳衛(wèi)星本身，就肩負著‘創(chuàng)新’使命?！崩罴雍檎f。作為一顆科學實驗衛(wèi)星，碳衛(wèi)星身上，至少有四項大膽的技術(shù)創(chuàng)新——大面積光柵、多模式定標、敏捷姿態(tài)調(diào)控以及復雜的反演驗證系統(tǒng)?！拔覀兲夹l(wèi)星的整體水平，比日本的還要高。雖是‘后發(fā)’，但我們已經(jīng)實現(xiàn)了‘并跑’?！?p>　　技術(shù)上的卓越，并非這顆碳衛(wèi)星的唯一追求。在大約半年的在軌測試之后，碳衛(wèi)星將正式開始兩年半的工作——讓二氧化碳濃度數(shù)據(jù)到碗里來?！拔覀儗凑諔?yīng)用需求，對后期數(shù)據(jù)進行加工、處理、共享和服務(wù)?！崩罴雍橥嘎?，科技部聯(lián)合中國科學院和中國氣象局已經(jīng)制定了碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理辦法。碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)將加載到國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺，向國內(nèi)各類用戶提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。在國際合作方面，這些數(shù)據(jù)也會向地球觀測組織(GEO)共享，這也是中國對GEO的實質(zhì)貢獻。

　　“一顆衛(wèi)星遠遠不夠。”不過，讓楊忠東欣慰的是，六年來，他們不僅收獲了這顆衛(wèi)星，還了解和掌握了二氧化碳高精度遙感監(jiān)測儀器的制備過程?！耙獫M足中國社會經(jīng)濟的發(fā)展需求，我們還要更多碳衛(wèi)星。”第一顆有了，后續(xù)的，也就不再遙遠。