22日3时22分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，成功将我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行，将使我国初步形成针对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度监测能力，使中国继日本和美国后，成为世界上第三个能从太空监测温室气体排放的国家。
在未来3年中，这颗620公斤重的碳卫星，将在700公里太阳同步轨道上，每16天对地球进行一次全面“体检”，最终形成不同季节、不同地区二氧化碳排放情况的“体检报告”。
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。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。
大量的科学论证表明，若超过2摄氏度，地球上的生命将岌岌可危。然而，关于地球升温的科学数据预测则显得触目惊心。
▲全球平均地表温度的模型预测
从人类有限的对大气二氧化碳的地面直观观测史来看，150年来，大气中的二氧化碳的浓度已经从280ppm上升到400ppm。这导致过去100年全球平均气温上升了约0.7摄氏度，由此导致灾害性天气频发、强度加大。
▲阿拉斯加冰川过去30年消融的景象
早在1992年世界各国即签署了《联合国气候变化框架公约》，旨在将大气二氧化碳浓度稳定在某一水平上以防止人类活动严重干扰气候系统。
在巴黎协定关于将全球平均气温的升温保持在远低于2摄氏度的目标道路上，世界各国正在快马加鞭为这一目标努力。
然而，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。
不过，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：一颗由日本2009年发射（GOSAT），一颗由美国2014年发射（OCO-2）。
▲美国的OCO-2
也是在2015年12月22日，美国NASA公布了首张全球二氧化碳分布图，其中中低纬度部分地区的大气二氧化碳浓度突破了400ppm。
▲NASA公布的首张全球CO2分布图
中国发射的碳卫星不仅可以给各国碳排放的收支情况算一笔账，评估各个国家是否履行减排承诺，还有助于更快、更高效地发现温室气体排放源。
科技部国家遥感中心总工程师李加洪介绍，碳卫星的发射将填补中国在温室气体监测方面的技术空白，而且，中国掌握的第一手二氧化碳监测数据还可分享给全球的研究者。
李加洪表示，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。
中国本次发射的碳卫星，搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理，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。
碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理，用通俗的话说，就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。
当太阳光照射在大气上，二氧化碳分子会产生特有的光谱吸收线，碳卫星就靠探测这种特征谱线来监测它的变化。
研制人员采用了大面积光栅分光技术，为碳卫星赋予了超凡的“视力”。在大气中，二氧化碳的浓度只有万分之四左右，如此低浓度的二氧化碳只要有1%的浓度变化，就会被碳卫星发现。
据中国科学院微小卫星创新研究院碳卫星工程卫星系统总设计师尹增山介绍，碳卫星有好几种观测模式。一种是“斜着看”，即“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。一种是“竖着看”，即“天底探测模式”，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测。
▲碳卫星示意图
因此，为了实现多种模式的观测，科研人员还为碳卫星配备了复杂姿态控制系统，使它可以在太空中不断调整姿态，被戏称为“太空中的华尔兹舞步”。
这次发射的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。
▲碳卫星载荷系统
这台探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素。
所以，多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”，但可能会带来许多意想不到的收获。
杨忠东说，多谱段云与气溶胶探测仪能监测大气中的颗粒物，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。
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。
气候问题是全人类共同面对的问题，解决气候问题、监测碳排放也是需要世界各国努力合作的问题。
李加洪曾谈到：“做全球二氧化碳监测仅仅一两颗卫星是不够的，我国（碳卫星）是第三颗，欧洲也将碳卫星列入计划。我们希望通过这颗卫星和其他几个国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’，联合观测大气二氧化碳，为全球气候变化提供更加丰富的监测数据”。
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。
碳卫星副总指挥龚建村表示，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二氧化碳探测仪。别小看这个二氧化碳探测仪，它可是监测碳排放的主力。它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，如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制上尚属首次。
科学家将这项操作类比检查人的指纹，普通仪器只看得到纹理，而二氧化碳探测仪可以把指纹放大一百倍，精细的测量每条指纹的宽度和深度。
要实现这些核心指标可不是一件容易的事情，科学家们既需要对观测和定标进行巧妙的设计，还需要能做出极高的衍射效率和面型精度大面积全息光栅。据中科院长春光机所研究员郑玉权介绍，为突破探测仪上的关键技术，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，并在航空较飞试验中进行了验证。
二氧化碳探测仪与其他很多星载光学载荷不同，为了提高两个红外通道的信噪比、保证光谱探测精度，其在轨工作时要保持在-5℃的温度水平。就是这一简单的条件变化，让科研人员付出巨大的努力，在进行所有的组件、整机装调工作时都必须在-5℃条件下，于是，在载荷初样、正样研制最紧张的阶段，研究人员连续数月在低温室里工作，经常是户外30℃以上的高温，而低温室内却要穿着厚厚的羽绒服、冻着手坚持装调。
好容易练就了观测技能，碳卫星还面临着定标难题。二氧化碳探测仪定标系统负责人蔺超介绍，定标技术是光谱仪器的最终实现精度的关键技术，为保证最终的光谱数据的精准，必须在实验室和在轨工作时对仪器的光谱性能和辐射性能进行精准标定。科研人员不但为二氧化碳探测仪量身特制了真空定标系统，还利用可调谐激光器和波长及搭建自动化定标系统，大幅提高了实验室定标的效率，使仪器的定标周期较OCO-2大幅缩短。
卫星在天上大展拳脚，但是仅靠它单打独斗是远远不能完成使命的，若要实现最终任务目标，需要多个大系统协调配合。在科技部、中国科学院的共同组织下，碳卫星按照航天工程模式，组成了卫星、运载、发射场、测控、应用五大系统。
碳卫星发射运行后，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，需要经过气象学家进行高精度的全球二氧化碳分布反演计算，才能最终成为全球二氧化碳观测数据产品并共享发布。
“以往气象卫星所涉及到的反演问题，大多集中在红外和微波谱段，而碳卫星所涉及到的是可见光和近红外谱段的反演问题，机理不同，难度加大。这需要考虑云与气溶胶、气压、温度、反照率等多因素的影响，重新设计全新的反演验证系统。”碳卫星首席应用科学家、国家卫星气象中心总工卢乃锰说。
碳卫星地面应用系统总设计师杨忠东告诉《经济日报》记者，“二氧化碳气体绝对含量少，要在大的噪音中找到如此小的量，非常难，为此，国内优势单位集中起来联合攻关，啃下了这块硬骨头，填补了国内技术空白。在对科学上未知领域的探索过程中，我们的反演过程以物理模型为基础的对大气化学成分二氧化碳的反演进入了一个新的领域。”
来源:经济日报、新华社、国家空间科学中心等
责任编辑:丁甜甜
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