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卫星“嗅碳”一“探”究竟

日期 2016-12-22   来源:新华网 来源:北京日报   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  新闻背景

  近日,我国将发射首颗“碳卫星”,这也是继日美之后的世界第3颗专门用于监测全球大气中二氧化碳分布的卫星,将通过所获得的数据,掌握全球大气中二氧化碳分布的情况。

  监测全球二氧化碳排放

  二氧化碳是地球大气中最主要的温室气体成分之一,在全球气候变化中扮演重要角色。工业革命以来,由于煤和石油等化石能源的大规模使用,以及毁林、土地过度开发和开垦等人类活动,造成了全球温室气体排放量持续增加。在过去的150年中,全球大气中的二氧化碳浓度已从280ppm(ppm是百万分率)上升到400ppm,为至少过去80万年来的最高点。在过去的50年里,人类活动导致的二氧化碳排放已使大气中的二氧化碳水平升高了近20%,它使全球平均气温上升,从而导致灾害性天气频发、强度加大。

  国际社会提出利用市场机制,即通过增加碳关税方式来限制二氧化碳排放,解决全球气候变化问题。因此,在全球范围内高精度地监测二氧化碳浓度,获取可靠的观测数据,已成为开展气候变化研究、碳交易等工作的关键方面。

  其实,监测二氧化碳的工作在地面早已开展了,而且精度、时间分辨率和可靠性均比较高,那么为什么近年还要发射嗅碳卫星来进行监测呢?这是因为在地面监测二氧化碳存在成本高、难度大等困难,所以用于监测二氧化碳浓度分布的地面观测点数量有限,且分布不均,至今全球的二氧化碳地面观测站点仅有300个左右,并大多位于美国、欧洲等地,难以满足监测全球二氧化碳分布和浓度的需求。

  虽然近年来不少国家纷纷做出二氧化碳减排承诺,但到底每个国家每年都有多少碳排放还是一笔糊涂账。由于通过数量有限的地面监测站难以获得全球的数据,因此需要一种全球范围区域尺度的二氧化碳的测量手段。而利用卫星进行全球二氧化碳监测就是这种重要手段。

  碳卫星如何做“神探”?

  在目前的所有碳排放量监测手段中,只有星载高光谱温室气体探测技术,既能够实现对大气中二氧化碳等温室气体浓度的高精度探测,又能够获取全球各区域气体浓度分布数据。这是什么原理呢?

  这是由于大气在太阳光照射下,二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性。因为大气中的二氧化碳和氧分子只在特定颜色或波长吸收光能,抵达光谱仪的光线在那些特征波长会出现能量减弱。碳卫星通过精细测量其光谱吸收线,就可以反演出大气二氧化碳浓度。

  具体说来就是,当光在大气中传播时会被大气部分吸收,利用空气中气体分子的窄带吸收特性可鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度推演出痕量气体的浓度。用卫星所载的高光谱二氧化碳探测仪来精准测量大气的吸收谱线,再通过地面应用系统一整套复杂的反演过程计算大气中的二氧化碳的总量,就可知道全球各个地区的碳排放情况。

  我国碳卫星采用以下3种观测模式。

  天底观测模式 即竖着看,利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测。其空间分辨率是最高的,但只有在当太阳天顶角满足设定要求时采用,卫星在海洋上空时,由于信噪比低,所以观测数据无法反演出二氧化碳浓度。

  卫星在海洋上空时刻采用耀斑模式 即斜着看,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。具体说来就是当太阳光被洋面镜面反射时,仪器指向最亮的反射区。采用这种模式可提供足够的信噪比,反演出高精度的二氧化碳浓度。

  目标模式 用于跟踪地面的特殊目标(如源排放区),在约9分钟的飞越目标区观测期间内,这一模式可提供对观测点的大量观测数据。

  由于多种观测模式交互进行,所以碳卫星就要不断调整姿势,跳起“太空华尔兹”。这也被科研人员称为“跳着舞看”。

  我国碳卫星达国际先进水平

  我国即将发射的碳卫星全称叫“全球二氧化碳监测科学试验卫星”。它重620千克,在距地700千米的太阳同步轨道上运行,以大气二氧化碳遥感监测为切入点,通过两种科学探测仪器,即高光谱二氧化碳探测仪和起辅助作用的多谱段云/气溶胶探测仪,用于获取全球尤其是我国及其它重点地区大气中二氧化碳浓度分布图。

  我国碳卫星探测精度达到1-4ppm,这一精度达到高光谱大气痕量气体探测方面的国际先进水平。卫星发射后,将能够对全国各个省份和城市的碳排放情况进行详细的监测和分析,进而清楚掌握重点省份和区域碳排放量,也将使我国初步具备全球二氧化碳浓度监测能力,拥有第一手的全球遥感二氧化碳数据。卫星每隔16天可完成一次地球二氧化碳测绘,能分辨地面2平方公里的二氧化碳浓度。卫星检测的数据发送给地面,经过解析和处理就能最终形成不同季节、不同地区碳排放情况的“体检报告”。

  研制高光谱二氧化碳探测仪的难度极大,其关键技术是制造大口径高精度衍射光栅。它使用的衍射光栅同时要求大口径、高面型精度和高衍射效率,这在国内尚属首次研制。经过一年半的研发,科研人员研发出以碳化硅材料为基底的大口径衍射光栅。

  此外,高可靠性长寿命指向反射镜的制造技术也十分关键。该指向镜须一镜两用,正反面均需要光学加工,一面是反射镜,另外一面是漫反射面,两面的加工不能相互干扰,也不能太厚,而且要可灵活转动。这个工艺也非常难,但科研人员最终还是如期攻克了难关。

  使用多谱段云/气溶胶探测仪,卫星可以排除云和空气中气溶胶的影响,使二氧化碳监测数据更加准确。

  延伸阅读

  日美两国的“碳卫星”之路

  日本和美国是世界上最先发射专门监测二氧化碳分布和浓度卫星的国家。

  2009年1月23日,日本发射了世界首颗从太空监测温室气体浓度分布的卫星呼吸号,用于从太空搜集全球二氧化碳和甲烷浓度分布信息,为制定减排政策提供证据,并帮助科研人员进一步了解生态系统究竟能吸收和释放多少二氧化碳。

  呼吸号卫星发射质量约1.75吨,运行在距地面高约600多千米的太阳同步轨道上,设计寿命为5年。它载有2台高精度的温室气体监测遥感器,其中一台是傅里叶变换光谱仪,另一台是云/气溶胶探测仪。该卫星每3天就可以收集到全球约5.6万个观测点的最新数据,监测面涉及包括公海在内的地球表面各角落。由于呼吸号卫星技术水平有限,其所获数据不太理想,为此,日本计划在2017年发射更先进的呼吸2号嗅碳卫星。

  2009年2月24日,美国第一颗专门用于研究和观测二氧化碳的卫星——“轨道碳观测”升空。但因火箭故障,卫星最后坠入南极附近海域。

  2014年7月2日,美国卷土重来,终于成功发射了轨道碳观测2号卫星。它主要帮助确定二氧化碳在地球表面的哪些关键地点被排放和吸收,使科学家能更好地了解人类活动对气候的影响。该卫星运行在距地面705千米高的太阳同步轨道,设计寿命2年,发射质量447千克,主体结构为六棱柱体。与发射失败的“轨道碳观测”一样,轨道碳观测2号只装载一种遥感器——星载光谱仪,但这一包含3个共孔径、长狭缝光栅、高分辨率成像光谱仪,能获取迄今为止最高精度的大气二氧化碳空间观测数据。它每16天采集约800万个全球二氧化碳高精度测量数据,可以精确地测量全球二氧化碳情况。

  该卫星提供的二氧化碳测量数据还有更广泛的用途,例如,提供关于全球变暖的各种图表、报告和互动功能。它用网上直观的形式将温室气体对地球环境和人们日常生活的影响形象地展现出来,以避免人们对于这个严重问题的认识被各种复杂的、科学性过强的媒体解读所搞晕。

  美国已计划研制更先进的轨道碳观测3号,它将从世界上所有国家的上方飞过,以测量二氧化碳和甲烷的排放水平。

  此外,欧洲航天局也计划研制一种先进的“碳观测卫星”。

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