近日，我國將發射首顆“碳衛星”，這也是繼日美之后的世界第3顆專門用于監測全球大氣中二氧化碳分布的衛星，將通過所獲得的數據，掌握全球大氣中二氧化碳分布的情況。
監測全球二氧化碳排放
二氧化碳是地球大氣中最主要的溫室氣體成分之一，在全球氣候變化中扮演重要角色。工業革命以來，由于煤和石油等化石能源的大規模使用，以及毀林、土地過度開發和開墾等人類活動，造成了全球溫室氣體排放量持續增加。在過去的150年中，全球大氣中的二氧化碳濃度已從280ppm(ppm是百萬分率)上升到400ppm，為至少過去80萬年來的最高點。在過去的50年里，人類活動導致的二氧化碳排放已使大氣中的二氧化碳水平升高了近20%，它使全球平均氣溫上升，從而導致災害性天氣頻發、強度加大。
國際社會提出利用市場機制，即通過增加碳關稅方式來限制二氧化碳排放，解決全球氣候變化問題。因此，在全球范圍內高精度地監測二氧化碳濃度，獲取可靠的觀測數據，已成為開展氣候變化研究、碳交易等工作的關鍵方面。
其實，監測二氧化碳的工作在地面早已開展了，而且精度、時間分辨率和可靠性均比較高，那么為什么近年還要發射嗅碳衛星來進行監測呢?這是因為在地面監測二氧化碳存在成本高、難度大等困難，所以用于監測二氧化碳濃度分布的地面觀測點數量有限，且分布不均，至今全球的二氧化碳地面觀測站點僅有300個左右，并大多位于美國、歐洲等地，難以滿足監測全球二氧化碳分布和濃度的需求。
雖然近年來不少國家紛紛做出二氧化碳減排承諾，但到底每個國家每年都有多少碳排放還是一筆糊涂賬。由于通過數量有限的地面監測站難以獲得全球的數據，因此需要一種全球范圍區域尺度的二氧化碳的測量手段。而利用衛星進行全球二氧化碳監測就是這種重要手段。
碳衛星如何做“神探”?
在目前的所有碳排放量監測手段中，只有星載高光譜溫室氣體探測技術，既能夠實現對大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度的高精度探測，又能夠獲取全球各區域氣體濃度分布數據。這是什么原理呢?
這是由于大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性。因為大氣中的二氧化碳和氧分子只在特定顏色或波長吸收光能，抵達光譜儀的光線在那些特征波長會出現能量減弱。碳衛星通過精細測量其光譜吸收線，就可以反演出大氣二氧化碳濃度。
具體說來就是，當光在大氣中傳播時會被大氣部分吸收，利用空氣中氣體分子的窄帶吸收特性可鑒別氣體成分，并根據窄帶吸收強度推演出痕量氣體的濃度。用衛星所載的高光譜二氧化碳探測儀來精準測量大氣的吸收譜線，再通過地面應用系統一整套復雜的反演過程計算大氣中的二氧化碳的總量，就可知道全球各個地區的碳排放情況。
我國碳衛星采用以下3種觀測模式。
天底觀測模式 即豎著看，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測。其空間分辨率是最高的，但只有在當太陽天頂角滿足設定要求時采用，衛星在海洋上空時，由于信噪比低，所以觀測數據無法反演出二氧化碳濃度。
衛星在海洋上空時刻采用耀斑模式 即斜著看，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。具體說來就是當太陽光被洋面鏡面反射時，儀器指向最亮的反射區。采用這種模式可提供足夠的信噪比，反演出高精度的二氧化碳濃度。
目標模式 用于跟蹤地面的特殊目標(如源排放區)，在約9分鐘的飛越目標區觀測期間內，這一模式可提供對觀測點的大量觀測數據。
由于多種觀測模式交互進行，所以碳衛星就要不斷調整姿勢，跳起“太空華爾茲”。這也被科研人員稱為“跳著舞看”。
我國碳衛星達國際先進水平
我國即將發射的碳衛星全稱叫“全球二氧化碳監測科學試驗衛星”。它重620千克，在距地700千米的太陽同步軌道上運行，以大氣二氧化碳遙感監測為切入點，通過兩種科學探測儀器，即高光譜二氧化碳探測儀和起輔助作用的多譜段云/氣溶膠探測儀，用于獲取全球尤其是我國及其它重點地區大氣中二氧化碳濃度分布圖。
我國碳衛星探測精度達到1-4ppm，這一精度達到高光譜大氣痕量氣體探測方面的國際先進水平。衛星發射后，將能夠對全國各個省份和城市的碳排放情況進行詳細的監測和分析，進而清楚掌握重點省份和區域碳排放量，也將使我國初步具備全球二氧化碳濃度監測能力，擁有第一手的全球遙感二氧化碳數據。衛星每隔16天可完成一次地球二氧化碳測繪，能分辨地面2平方公里的二氧化碳濃度。衛星檢測的數據發送給地面，經過解析和處理就能最終形成不同季節、不同地區碳排放情況的“體檢報告”。
研制高光譜二氧化碳探測儀的難度極大，其關鍵技術是制造大口徑高精度衍射光柵。它使用的衍射光柵同時要求大口徑、高面型精度和高衍射效率，這在國內尚屬首次研制。經過一年半的研發，科研人員研發出以碳化硅材料為基底的大口徑衍射光柵。
此外，高可靠性長壽命指向反射鏡的制造技術也十分關鍵。該指向鏡須一鏡兩用，正反面均需要光學加工，一面是反射鏡，另外一面是漫反射面，兩面的加工不能相互干擾，也不能太厚，而且要可靈活轉動。這個工藝也非常難，但科研人員最終還是如期攻克了難關。
使用多譜段云/氣溶膠探測儀，衛星可以排除云和空氣中氣溶膠的影響，使二氧化碳監測數據更加準確。
延伸閱讀：日美兩國的“碳衛星”之路
日本和美國是世界上最先發射專門監測二氧化碳分布和濃度衛星的國家。
2009年1月23日，日本發射了世界首顆從太空監測溫室氣體濃度分布的衛星呼吸號，用于從太空搜集全球二氧化碳和甲烷濃度分布信息，為制定減排政策提供證據，并幫助科研人員進一步了解生態系統究竟能吸收和釋放多少二氧化碳。
呼吸號衛星發射質量約1.75噸，運行在距地面高約600多千米的太陽同步軌道上，設計壽命為5年。它載有2臺高精度的溫室氣體監測遙感器，其中一臺是傅里葉變換光譜儀，另一臺是云/氣溶膠探測儀。該衛星每3天就可以收集到全球約5.6萬個觀測點的最新數據，監測面涉及包括公海在內的地球表面各角落。由于呼吸號衛星技術水平有限，其所獲數據不太理想，為此，日本計劃在2017年發射更先進的呼吸2號嗅碳衛星。
2009年2月24日，美國第一顆專門用于研究和觀測二氧化碳的衛星——“軌道碳觀測”升空。但因火箭故障，衛星最后墜入南極附近海域。
2014年7月2日，美國卷土重來，終于成功發射了軌道碳觀測2號衛星。它主要幫助確定二氧化碳在地球表面的哪些關鍵地點被排放和吸收，使科學家能更好地了解人類活動對氣候的影響。該衛星運行在距地面705千米高的太陽同步軌道，設計壽命2年，發射質量447千克，主體結構為六棱柱體。與發射失敗的“軌道碳觀測”一樣，軌道碳觀測2號只裝載一種遙感器——星載光譜儀，但這一包含3個共孔徑、長狹縫光柵、高分辨率成像光譜儀，能獲取迄今為止最高精度的大氣二氧化碳空間觀測數據。它每16天采集約800萬個全球二氧化碳高精度測量數據，可以精確地測量全球二氧化碳情況。
該衛星提供的二氧化碳測量數據還有更廣泛的用途，例如，提供關于全球變暖的各種圖表、報告和互動功能。它用網上直觀的形式將溫室氣體對地球環境和人們日常生活的影響形象地展現出來，以避免人們對于這個嚴重問題的認識被各種復雜的、科學性過強的媒體解讀所搞暈。
美國已計劃研制更先進的軌道碳觀測3號，它將從世界上所有國家的上方飛過，以測量二氧化碳和甲烷的排放水平。
此外，歐洲航天局也計劃研制一種先進的“碳觀測衛星”。
責任編輯：李濤
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