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以二氧化碳为主的温室气体排放通常被认为是影响气候变化的重要因素。但各国排放了多少二氧化碳，它怎样在全球流动，至今缺乏完备、可信服的基础数据。22日凌晨，我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称碳卫星）在酒泉成功发射，它将监测大气中二氧化碳浓度1%的细微变化，给出二氧化碳在不同季节、不同地区排放的“体检报告”，能提升我国在气候变化谈判等问题上的国际话语权。
为什么发
全球尺度上获取二氧化碳变化情况，填补技术空白，提升国家话语权
过去150年来，大气中的二氧化碳的浓度从280ppm（百万分之一）上升到400ppm，二氧化碳等温室气体引发的“温室效应”，被认为是全球变暖的罪魁祸首。
持家得先有账，收支清楚才能找出温室气体与气候变化之间的关系。“动态监测二氧化碳排放，对人类应对气候变化的影响有重要意义。”碳卫星首席应用科学家、国家卫星气象中心总工程师卢乃锰说。
此前，人类一直是通过地面站点监测二氧化碳排放。虽然地面观测的绝对精度比卫星观测精度高，但地面监测站数量有限，没法得出全球范围二氧化碳的空间分布情况。卢乃锰介绍，截至2010年左右，全球地面观测站点仅有200多个，且不能监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量。
如果说监测各个区域二氧化碳浓度变化是账目的“明细”，二氧化碳在全球的流动情况则是“总账”。而单个站点的持续观测，只能了解某个较小区域二氧化碳浓度的变化。要认识全球碳循环规律，就需要一种可以连续在全球尺度上获取高精度的二氧化碳流动的手段。搭载温室气体探测仪器、借助卫星遥感，是目前获取全球各区域气体浓度切实可行的手段。
利用卫星监测二氧化碳成为科技发达国家竞争的焦点。2009年日本发射了世界首颗温室气体观测卫星（GOSAT）；2014年美国发射了二氧化碳监测卫星OCO—2。
碳卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院研究员尹增山介绍，碳卫星发射成功并经过半年的在轨测试后，将正式投入运行，16天完成一个回归周期，每两到三个月，完成一次全球有效覆盖。碳卫星获取的信息经过解析和处理，就能形成不同地区碳排放报告。
“采用碳卫星收集全球碳排放的长期数据，通过数据对照就能看出全球各个地方碳排放的变化。”碳卫星二氧化碳探测仪负责人、中科院长春光机所研究员郑玉权说。此前，人们往往根据某个国家或地区的化石能源消耗量、效率来判断，但这种方式缺乏科学依据，且目前多由各国单独统计，难以得出全球二氧化碳的分布和变化趋势。郑玉权说，发射碳卫星，不仅能填补我国在温室气体监测方面的技术空白，还能掌握在全球气候谈判、未来碳交易等上的主动权。
如何监测
通过精细测量光谱信息，了解全球二氧化碳的变化情况
碳卫星给全球做“碳普查”，是基于大气吸收池原理。卫星从太空观测经地表反射的太阳光，太阳的光谱是确定的，但大气层中不同气体成分吸收的光不一样。比如，二氧化碳在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收，从而能形成独特的大气吸收光谱。某个区域大气层中二氧化碳浓度轻微的变化，就会带来吸收光谱线强度的变化，碳卫星记录的就是这些光谱信息。
郑玉权说，碳卫星精细测量后得到光谱吸收线，光谱线信息通过数据的方式传输到地面。数据本身并不能看出二氧化碳浓度，需要通过建立模型来演算。在这些数据的基础上，还可进一步推演出全球二氧化碳的流动情况。
“以往气象卫星所涉及的演算问题，大多集中在红外和微波谱段，而碳卫星所涉及的是可见光和近红外谱段的演算问题，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，重新设计全新的演算验证系统。我们集中国内优势单位联合攻关，终于填补了国内技术空白。”卢乃锰说。
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，二氧化碳探测仪采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分。
国家卫星气象中心副主任、碳卫星地面应用系统总指挥张鹏说，大气中二氧化碳的浓度监测的精度优于4ppm，而大气中二氧化碳的浓度只有万分之四左右，也就是说，在如此低浓度的二氧化碳中，只要有1%的变化，探测仪就必须要发现。为了达到监测要求，郑玉权介绍，二氧化碳探测仪实现了天基0.04纳米级超高光谱分辨率，拥有2000多个通道，对光谱的解析极其精细。
一个好汉三个帮，我国碳卫星还搭载了另一台载荷——云与气溶胶探测仪。该探测仪主要测量云、大气颗粒物等辅助信息，为精确演算二氧化碳浓度剔除干扰因素。
“二氧化碳演算会受到云与气溶胶、气压、温度等多因素影响，云与气溶胶探测仪测量到云、大气颗粒物等信息，演算时把它们当作一个参数带入数据中，就最大程度排除它们的干扰。从而对二氧化碳的探测结果进行修正，大大提高演算精度。”郑玉权说。
此外，获取的全球尺度气溶胶数据，还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，为研究大气污染成因提供重要数据支撑。
怎样工作
观测时就像“跳舞”，要斜着看、竖着看、盯着看
张鹏介绍，碳卫星发射入轨之后，将开始长达3年的工作，每天记录长达约10小时的数据，定期提供我国及全球二氧化碳浓度分布图并为全球气候研究提供依据。
碳卫星在太空如何工作？“这颗卫星需要在太空中跳舞，既要会跳华尔兹还要能翻筋斗。”卢乃锰说。
卢乃锰之所以说“跳舞”，是因为卫星观测模式比较复杂，需要在太空不停地旋转，要斜着看、竖着看、盯着看。斜着看，就是耀斑观测模式，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；竖着看即天底观测模式，在地面进行二氧化碳的观测；盯着看，就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测，完成既定任务。除此之外，碳卫星还要观测太阳和月亮，进行对日、对月定标。
这种复杂和高难度的“跳舞”，是为了让卫星能够更加有效地观测全球二氧化碳分布信息。“海面反射的光很弱，比如我们拿一个手电筒竖着照在海面，光很多都被吸收了，但如果斜着照射，我们就能看到波光粼粼。碳卫星经过海平面时，也需要相应调整‘舞姿’。”郑玉权说。
“大家看到卫星在天上翩翩起舞，觉得很美，但搞卫星的人通常一听到这种需求就心惊肉跳。”卢乃锰说，高精度的观测对卫星技术要求极高，卫星平台研究人员攻克了“复杂姿态指向控制技术”难题，给卫星配备了复杂姿态控制系统，使它可以在太空中实现多种模式的观测。
卢乃锰介绍，日本GOSAT的有效观测点只有300多个，我国碳卫星在设计时加大了扫描宽度，增加了采样点，观测效果提升数倍。
监测全球二氧化碳一两颗卫星远远不够，我国发射的是全球第三颗，不久将来欧洲也将加入碳卫星计划。“我们希望和其他国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’，联合观测大气二氧化碳”。卢乃锰说。据介绍，我国已经制定了数据管理办法，将适时对外发布。（记者 喻思娈 刘毅）
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