搭載我國首顆二氧化碳監測衛星 這些科學儀器厲害了
2017-01-16
導讀：與以往的氣象衛星不同，碳衛星是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性，通過碳衛星對二氧化碳光譜吸收線的精細測量，就可以反演出大氣二氧化碳的濃度。”
我國首顆二氧化碳監測科學實驗衛星即將發射升空，它將用慧眼一探全球二氧化碳變化的秘密。
“我國還沒有這么復雜觀測模式的民用衛星，它通過5種觀測模式的組合，完成對全球二氧化碳的探測，衛星裝載的高光譜二氧化碳探測儀有2000多個通道，光譜解析度極高，衛星研制難度極大。”碳衛星首席應用科學家盧乃錳告訴記者。
利用光譜吸收特性一探究竟
與以往的氣象衛星不同，碳衛星是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性，通過碳衛星對二氧化碳光譜吸收線的精細測量，就可以反演出大氣二氧化碳的濃度。”盧乃錳說。
反演驗證系統是獲取衛星數據后計算出二氧化碳和氣溶膠分布狀況的關鍵環節，也是盧乃錳在采訪中反復提及的技術關鍵。通俗來講，太陽的光譜是確定的，如果已知二氧化碳濃度等大氣狀況，根據模型，計算出衛星應該觀測到的光譜，是正演;而根據衛星獲取的數據，由模型反算出二氧化碳濃度，就是反演。
“以往氣象衛星所涉及到的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛星所涉及到的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機理不同，難度加大。這需要考慮云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素的影響，重新設計全新的反演驗證系統。我們集中國內優勢單位聯合攻關，終于啃下了這塊硬骨頭，填補了國內技術空白。”盧乃錳說。
國家遙感中心總工程師李加洪介紹，該項目后期還追加了航空遙感實驗和地面觀測反演。前者就是把二氧化碳探測儀放在飛機上先采集數據，讓研究者在碳衛星發射前就能熟悉相關數據處理和反演方法，積累經驗，確保碳衛星獲取數據后及時開展應用。
會跳華爾茲會翻筋斗，還能斜看豎看盯著看
盧乃錳給記者展示了一段碳衛星工作的模擬視頻。“大家看到衛星在天上翩翩起舞，覺得很美，但搞衛星的人通常一聽到這種需求就心驚肉跳，萬一轉過去轉不回來了，怎么辦呢?”他說，這種敏捷觀測對衛星技術要求極高。
這顆衛星為什么需要不停旋轉?這就涉及到其復雜的觀測模式。碳衛星可以斜著看、豎著看、盯著看。斜著看，就是耀斑觀測模式，利用太陽在海面的鏡面反射提高信噪比，獲取海面上空的二氧化碳數據;豎著看即天底觀測模式，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測;盯著看，就是衛星在飛行過程中，始終瞄準一個特定目標進行觀測，完成既定任務。除此之外，碳衛星還要觀測太陽和月亮，進行對日、對月定標。
盧乃錳說，這相當于只有一只眼睛的衛星需要不停轉換角度來完成對不同方向的觀測。所以衛星要不斷地調整姿態，就像跳優美的華爾茲。
這種復雜和高難度的“跳舞”觀測，讓碳衛星能夠得到更加有效的全球二氧化碳分布信息。“日本的GOSAT的有效觀測點只有300多個，我們在設計時加大了衛星的掃描寬度，增加了采樣點，使得有效觀測點比他們多了一個數量級。”盧乃錳說。
搭載二氧化碳和氣溶膠兩個探測儀
除了模塊化衛星平臺，高標準的載荷設計也是碳衛星研制的一大難點。碳衛星搭載了兩個遙感儀器。一個是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀，另一個是多頻段云與氣溶膠探測儀。
“幾十納米的帶寬在肉眼看來就一個顏色，要在這上面布置2000多個通道，也就是要再精細分辨出2000多種顏色，這對光學儀器的材料和工藝來說是非常大的挑戰。”盧乃錳說。
碳衛星項目要求大氣中二氧化碳的濃度監測精度優于4ppm，也即是說，當大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時，碳載荷就必須發現。為此，中科院長春光機所制造出200×200毫米的大面積光柵，填補了這一領域國內技術空白。
將會形成全球碳排放報告
我國的碳衛星大氣二氧化碳反演精度可達到1-4ppm，比日本GOSAT監測精度高，與美國OCO-2相當。
在發射成功并經過半年的在軌測試后，碳衛星將正式投入運行，16天完成一個回歸周期，每兩到三個月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛星獲取的信息經過解析和處理，就會形成不同地區碳排放報告。
“要用好這顆星需做好四件事。”盧乃錳說，第一是衛星數據的預處理，包括衛星定位、光譜定標、輻射定標等工作;第二是此前強調的數據反演;第三是模式同化技術;第四是數據共享。
在這顆碳衛星基礎上是否有安排后續業務星的計劃?盧乃錳說，雖然這顆星還沒有發射，但它的部分成果已經應用到很多碳監測的技術中，諸如風云氣象衛星等國家空間對地觀測衛星上，也都已經或正在考慮裝載二氧化碳觀測儀器。只是國家863計劃走在了前面。
“ 科技部特別強調碳衛星數據向國內外共享，目前已經制定了數據管理辦法，將適時對外發布。碳衛星數據將加載到國家綜合地球觀測數據共享平臺，除向國內各類用戶提供數據共享服務外，還將通過全球生態環境遙感監測年度報告發布專題報告。在國際合作方面，將向地球觀測組織共享，作為中國對GEO的實質貢獻;通過中歐‘龍計劃’合作將與歐空局開展深度研究。”李加洪透露，前段時間，NASA主動提出合作， 隨著中國、歐洲碳衛星的跟進，希望以后形成多衛星聯合觀測，進一步實現對外開放、數據共享。
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