中國首顆「碳衛星」凌晨發射，專訪碳衛星地面應用系統總指揮張鵬研究員

撰文 《環球科學》記者 吳非

碳衛星在酒泉衛星發射中心發射。圖片來源：新華網

碳衛星的作用？

近期，巴黎氣候大會和美國新任總統特朗普對氣候問題的言論使得氣候變暖屢次站在輿論的風口浪尖。目前，科學家對全球氣候變暖的細節問題仍存有諸多爭議，但主流氣候學家認同的是，人類活動排放的二氧化碳導致近兩百年間大氣二氧化碳濃度急劇上升，是全球變暖的直接原因。而開展氣候研究的基礎，自然是準確、實時地掌握全球大氣中二氧化碳的濃度變化。

1958年，美國科學家查爾斯·基林在夏威夷的莫納羅亞山上建立起全球首個大氣二氧化碳濃度監測站，開啟了全球二氧化碳監測的序幕。在隨後的半個多世紀里，我們通過來自莫納羅亞山等一系列地面監測站的數據，了解到二氧化碳濃度季節性變化的規律，見證了全球大氣二氧化碳濃度從不到320ppmv攀升至400ppmv的過程。

截止2008年10月，全球的大氣二氧化碳地面監測站有282個——這些站點幫助我們掌握全球平均大氣二氧化碳的濃度，但這一數據密度不足以為我們繪製全球大氣二氧化碳的分布圖。此外，揭示全球碳循環的關鍵信息——全球二氧化碳的通量變化，也就是二氧化碳的流通情況，根據現有的地面監測數據也無法準確獲知。因此，對全球二氧化碳信息的全面了解急需覆蓋全球的監測，而實現這一目標的手段就是碳衛星。

2009年，日本成功發射了全球首顆碳衛星GOSAT。同年，美國航空航天局（NASA）的OCO-1衛星發射失敗，之後NASA於2014年成功發射了OCO-1的替代品——OCO-2。目前，這兩顆碳衛星承擔著監測全球二氧化碳濃度的任務。而隨著中國自主研發的碳衛星TanSat成功發射，它也將加入全球二氧化碳的監測行列，在700千米高的太陽同步軌道上為我們提供第一手的信息。

TanSat如何進行監測？

大氣中，每種分子均吸收特定波長的光線。因此，從地面或海面反射的光線中，保留著各類氣體產生的特徵吸收光譜，TanSat的主要載荷——高光譜二氧化碳探測儀正是通過對特定波長光譜吸收情況的探測，間接得出觀測區域大氣二氧化碳的濃度。

高光譜二氧化碳探測儀設有3個通道，其中，在1.6微米和2.06微米處的兩組通道分別對應二氧化碳分子產生的強、弱兩個特徵吸收光譜帶。二氧化碳在大氣中的濃度只有400ppmv，也就是說，按照體積混合的比例來算，在每一百萬份大氣中，只有400份是二氧化碳。而大氣中二氧化碳濃度的變化量也只是400ppmv中的10%左右，要探測出如此細微的含量變化，探測儀需要具有極高的光譜解析度和探測靈敏度。在TanSat中，光譜解析度最高可以達到0.04納米，儀器信噪比要在300以上。

由於TanSat收集的是從被監測地面到衛星的路徑上，整層大氣柱中的二氧化碳總量，因此在測定大氣二氧化碳濃度的過程中，海拔高度成為了不容忽視的影響因素。為了排除海拔的影響，二氧化碳探測儀在0.76微米處設置了一條氧氣吸收通道。氧氣在大氣中的比例固定，可以用作大氣柱高度的參考氣體。

對氣柱高度的校正只是獲取精確的二氧化碳濃度數據的一項工作，研究人員還需將大氣中的其他干擾因素排除在外。

當你查看一張全球實時衛星雲圖，你會發現全球70%的區域都被雲層覆蓋。當雲層存在時，衛星只能監測雲層以上的大氣柱，因此只有在晴朗無雲的條件下，TanSat的監測結果才有意義。TanSat的另一個載荷——多頻段雲與氣溶膠探測儀，正是通過含有偏振信息的特定光譜吸收通道，辨識出雲層信息。

雲與氣溶膠探測儀的另一個作用，是排除大氣氣溶膠的干擾。大氣氣溶膠是懸浮在空氣中的固態、液態顆粒物，我們熟悉的霧霾就是氣溶膠含量超標的情況。氣溶膠使陽光發生散射，從而影響到碳衛星最終接收到的輻射信息。當近地面有大量氣溶膠時，雲與氣溶膠探測儀可以對其含量進行測定，這一結果將用於對二氧化碳濃度的修正。

TanSat採集到原始數據後，地面應用系統將對衛星觀測資料進行接收、彙集和資料加工處理。依託風雲極軌衛星的北極圈瑞典基律納站和國內的佳木斯、烏魯木齊地面接收站，TanSat觀測的全球原始數據被傳送彙集至中國氣象局國家衛星氣象中心，在這裡研究人員將數據進行定位、光譜定標和輻射定標處理，產生高精度的高光譜解析度輻射信號。隨後，結合地面監測站的歷史數據，科學家對信號進行反演，最終得到精度在1~4ppmv的全球二氧化碳濃度數據。

TanSat發射3~6個月後，國家衛星氣象中心將聯合中國科學院的儀器研製單位完成對TanSat各項功能和性能指標的在軌測試和評價，隨後有望發布第一批全球二氧化碳數據。張鵬介紹說，二氧化碳濃度數據將對全球的用戶公開，成為全球二氧化碳監測網路的重要組成部分。

TanSat的意義？

2014年12月，NASA公布了一張全球月均二氧化碳分布圖（見下圖），這是通過OCO-2數據得出的首張二氧化碳全球地圖。（兩極地區由於極夜或太陽的照射角過於接近地平線，是碳衛星的觀測盲區）圖片清晰地展示了各地二氧化碳的濃度，但如果你還記得碳衛星的最終目標——掌握全球二氧化碳的通量變化，你會發現一個月的時間間隔根本不足以實現這一目標。

從OCO-2獲取的全球月均二氧化碳分布圖。圖片來源：NASA

數據獲取周期過長是目前碳衛星所面臨的一大困境，而導致這一狀況的根本原因，就是碳衛星監測到的數據點還遠遠不夠。

在下面的視頻中，方形色塊表示OCO-2投影到地面的二氧化碳濃度的監測足跡。可以看出，OCO-2儀器觀測範圍十分有限。此外，在衛星運行的路線上，有大片數據空缺的區域，這主要受到了上文提到的雲層影響，此時觀測無法正常進行。無論是OCO-2還是TanSat，它們的回歸周期均為16天。也就是說，如果錯過了某地點的數據，那麼衛星在16天後才能回到這一地點。因此，碳衛星需要通過多次繞行才能積累全球的數據。

視頻中的方形色塊為OCO-2測得的實時二氧化碳濃度，隨後出現的背景展示了GEOS全球大氣模型的模擬結果。（來源：NASA）

既然一顆碳衛星不足以解決問題，最直接的手段自然是增加碳衛星的數目。中國的TanSat實際上與日、美的碳衛星形成了相互補充的關係。張鵬說：「對於一顆碳衛星而言，目前最好的情況是得到二氧化碳的月平均分布，隨著碳衛星數目的增加， 10天平均甚至更短周期的數據都有可能實現。」在張鵬看來，描述CO2的變化，需要更多衛星累積基礎數據。「有了數據，才可能為全球氣候變化的研究、全球溫室氣體減排政策提供基礎。」

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