全球“碳排放”怎么样？以后中国人也能告诉你答案了！

2017 年 11 月 1 日 中科院之声 周立勋

近日，中国全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称“碳卫星”）数据正式对外开放共享，这也意味着，继美国、日本之后，中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家。

这颗碳卫星由中国自主研制，于2016年12月在酒泉卫星发射中心发射。2017年1月12日成功开机，13日转入在轨观测任务模式并获取首批观测数据。碳卫星地面应用系统总师杨忠东表示：“目前，整个碳卫星从卫星到地面已经基本处于正常的业务运行阶段了。”

那么，碳卫星是在什么背景下应运而生？身怀何种绝技？又是怎样让“碳排放”无处遁形的呢？今天，就请您跟随小编一探究竟。

碳卫星缘起

身负光荣使命

从未有任何一个问题，如“气候变化”一样，牵动到世界上每一个人、甚至每一种生命。

全球变暖、温室效应、极端天气、雾霾……每一个词都如一把重锤，不时地敲打人类脆弱的文明。

在严峻的“气候变化”形势面前，减少二氧化碳等温室气体的排放已成为应对“困局”的必然选择。《联合国气候变化框架公约》的最终目标就是“将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上”。

碳排放的量化监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础和保障，而所有的碳排放量监测手段中，目前只有星载高光谱温室气体探测技术，既能够实现对大气中CO₂等温室气体浓度进行高精度探测，又能够获取全球各区域气体浓度分布数据。

正因如此，各发达国家纷纷积极研发专用的、高精度温室气体观测卫星。但由于极高的技术难度，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”号（GOSAT）卫星，另一颗是美国2014年发射的“轨道碳观测者”（OCO-2）卫星。

OCO-2卫星

在这样的背景下，“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（简称全球碳监测卫星项目）于2011年立项。经过近6年的攻关研制，中国首颗二氧化碳观测科学实验卫星于2016年12月成功发射。

小个子大本领

碳卫星的主载荷

碳卫星是一颗高空间分辨率和高光谱分辨率的全球二氧化碳监测科学试验卫星，以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷，监测精度为1-4ppm，具备对全球、中国及其它重点地区大气二氧化碳浓度的监测能力。

碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理，CO₂、O₂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，综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上CO₂的柱浓度。

温室气体大气吸收池原理示意图

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CO₂的通量变化（单位时间通过单位面积的CO₂总量），这正是碳循环研究的核心数据基础。

碳循环示意图

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CO₂探测仪。该载荷采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分，能够探测2.06µm、1.6µm、0.76µm三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04nm，这就如同检查人的指纹，普通仪器只看得到纹理，而CO₂探测仪可以把指纹放大一百倍，精细地测量每条指纹的宽度和深度。如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制上尚属首次。

CO₂探测仪通过一块指向反射镜对外部光线进行收集，这块指向镜在设计时被巧妙地设计成“一镜双用”：一面镜面，用于在观测时折射光线；一面漫反射面，在定标时对准太阳，利用漫反射光来定标仪器精度。

CO₂探测仪使用的核心分光元件是大面积全息光栅，这种光栅需要极高的衍射效率和面型精度要求，同时要能够适应苛刻的太空环境要求。为突破这项关键技术，科研人员从最基础的、制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发，一点点攻克技术难点，最终在SiC基底上制造出高精度衍射光栅，并在航空校飞试验中进行了验证。

大面积全息衍射光栅

一个好汉三个帮

配角也不简单

一个好汉三个帮，碳卫星另一台载荷——多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是主角，但也别小看它，它可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为精确反演CO₂浓度，剔除干扰因素，带来很多意想不到的收获。

碳卫星载荷系统

在项目立项论证时，云与气溶胶探测仪只规划了0.38mm、0.67mm、0.87mm、1.64mm四个光谱通道；但随着地面应用系统的不断论证，希望仪器能够增加1.375mm探测通道，并在0.67μm和1.64μm波段实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能。

为了获取更加丰富的科学数据，项目组成员克服困能，重新对仪器进行了设计，按照应用系统的需求增加了相应的探测通道。

图为多谱段云与气溶胶探测仪特写

增加探测通道后，利用偏振信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特点，可以提取气溶胶光学厚度，然后利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点，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，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

碳卫星研制团队

用青春书写绿色使命

2011年，碳卫星项目正式启动。鉴于项目意义大、技术指标高、研制周期紧等特点，中科院长春光机所以“天宫一号”超光谱成像仪研制团队为基础，组建了一支既有一定工程经验、又年轻富有战斗力的科研团队。项目启动时，“碳卫星”载荷研究团队32人，平均年龄不到33岁，其中CO₂探测仪负责人研究员郑玉权39岁，CAPI探测仪负责人颜昌翔研究员38岁。正是这样一支年轻的队伍，开启了碳卫星载荷研制攻坚战。

6年中，研究团队沉着应对种种困难，按照关键技术攻关和航天工程实施两条线索开展工作。先后完成了两台载荷的设计、原理样机研制及验证、初样载荷研制、航空校飞试验等工作，突破了一系列核心关键技术。取得突破的过程中，也凝聚了团队成员大量的心血。由于仪器性能要求，CO₂探测仪在轨时需要在零下20度温度条件工作，由此要求仪器的所有组件装配均需要在零下20度低温下进行。当室外气温已经升至20℃时，装调小组的几个年轻人需要穿着厚厚的羽绒服，在零下20℃的低温箱中进行光机装调，而这样的工作一开始就要持续2-3个月。

整个载荷主体，横竖1平方米。当它身披着“黄金圣衣”冲向宇宙时，便担负起保护人类、控制温室气体排放的神圣使命。而中科院长春光机所碳卫星研制团队的小伙子们，也随着项目的完成迈入了而立之年。他们从无到有，实现技术突破；又迎头赶上，比肩国际先进水平。他们在“碳索”的过程中，用青春谱写了科研梦！