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我国首颗碳卫星发射:全球二氧化碳监测的“中国担当”

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  人民网北京12月22日电(赵竹青)记者从中国科学院获悉,12月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全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称“碳卫星”)发射升空。据了解,这颗碳卫星上搭载了高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪两台载荷,均由中科院长春光学精密机械与物理研究所研制(简称“长春光机所”)。

  我国首颗、全球第三颗碳卫星

  全球变暖、温室效应、极端天气、雾霾……“全球变暖正在破坏季节的自然格局,过去十年中,极端天气的频率和强度均显著增加。”中科院长春光机所研究员郑玉权告诉记者,气候变化的主要因素是全球变暖,大气中温室气体被认为是全球变暖的罪魁祸首。

  面对严峻的“气候变化”形势,减少二氧化碳等温室气体的排放已成为应对“困局”的必然选择。因此,碳排放的量化监测是全球减排的重要基础和保障。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少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。正因如此,各发达国家纷纷积极研发专用的、高精度温室气体观测卫星。

  “但由于极高的技术难度,此前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放:一颗是日本于2009年发射的包括二氧化碳、甲烷浓度观测的卫星GOSAT,一颗是美国于2014年发射的、专门用于大气二氧化碳浓度测量卫星OCO-2卫星。”郑玉权说。

  全球二氧化碳监测的“中国担当”

  中国气象局前局长郑国光指出:“近60年来,全国地表平均温度升高1.38摄氏度,平均每10年升高0.23摄氏度,几乎是全球平均升幅的两倍”,换言之,全球变暖,中国尤甚。

  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。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。

  最新的国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告明确指出,由于人类活动影响,大气二氧化碳的浓度已经由工业革命前的280ppm(ppm是英文parts permillion的缩写,常用来表示气体浓度或者溶液浓度)上升到今天的380ppm,二氧化碳浓度的显著增加急剧加快了全球变暖的进程。

  正是在这样的全球背景下,国家科技部-863计划在十二五期间专门设置了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目(简称全球碳监测卫星项目),目标是研制并发射一颗“以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学试验卫星”,建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统,形成对全球、中国及其它重点地区大气二氧化碳浓度监测能力,监测精度达到1-4ppm,使我国在高光谱大气二氧化碳浓度观测方面达到国际先进水平。

  我国“分辨率最高的光谱仪”

  据介绍,碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理:二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收,形成特征大气吸收光谱,对吸收光谱的强弱进行严格定量测量,综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素,借助一系列的模型计算,即可推演出全球二氧化碳的通量变化(单位时间通过单位面积的二氧化碳总量)。

  郑玉权介绍,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,能够探测2.06?m、1.6?m、0.76?m 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。

  “一个好汉三个帮。”碳卫星另一台载荷——多谱段云与气溶胶探测仪,可以测量云、大气颗粒物等辅助信息,为精确计算二氧化碳浓度剔除干扰因素。

  如此高的分辨率如何实现?郑玉权告诉记者,二氧化碳探测仪是通过一块指向反射镜对外部光线进行收集,这块指向镜在设计时被巧妙的设计“一镜双用”:一面镜面,用于在观测时折射光线;一面漫反射面,在定标时对准太阳,形成漫反射光来定标仪器精度。“巧妙设计的背后是加工制造难度的极大增加,一方面要保证镜面和漫反射面时的高精度,另一方面要实现高度轻量化和高可靠性,研究人员经过反复工艺摸索和大量的空间可靠性试验才最终完成突破这项关键技术。”

  另外,二氧化碳探测仪使用核心分光元件是大面积全息光栅,这种光栅需要极高的衍射效率和面型精度要求,同时要能够适应苛刻的太空环境要求。郑玉权表示,为突破这项关键技术,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,最终在碳化硅基底上制造出高精度衍射光栅,并在航空校飞试验中进行了验证。

  “配角”不简单,可助提高天气预告准确性

  碳卫星上的另一个载荷——多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是‘主角’,但千万别小看它,它可能给我们带来很多意想不到的收获。

  多谱段云与气溶胶探测仪负责人、中科院长春光机所研究员颜昌翔介绍,多谱段云与气溶胶探测仪可以利用偏振信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特点,提取气溶胶光学厚度,然后利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点,经过大气订正,得到地表反射率,从而实现对气溶胶和地表反射率的同时反演。

  “这样不仅可以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,并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。”颜昌翔说。

  据了解,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。据了解,这些数据还需要经过大气物理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。

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标签: 碳卫星 侦测