近日，中國全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星(簡稱“碳衛(wèi)星”)數(shù)據(jù)正式對外開放共享，這也意味著，繼美國、日本之后，中國成為第三個可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家。
這顆碳衛(wèi)星由中國自主研制，于2016年12月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。2017年1月12日成功開機，13日轉(zhuǎn)入在軌觀測任務(wù)模式并獲取首批觀測數(shù)據(jù)。碳衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總師楊忠東表示：“目前，整個碳衛(wèi)星從衛(wèi)星到地面已經(jīng)基本處于正常的業(yè)務(wù)運行階段了。”
那么，碳衛(wèi)星是在什么背景下應(yīng)運而生?身懷何種絕技?又是怎樣讓“碳排放”無處遁形的呢?今天，就請您跟隨小編一探究竟。
碳衛(wèi)星緣起
身負(fù)光榮使命
從未有任何一個問題，如“氣候變化”一樣，牽動到世界上每一個人、甚至每一種生命。
全球變暖、溫室效應(yīng)、極端天氣、霧霾……每一個詞都如一把重錘，不時地敲打人類脆弱的文明。
在嚴(yán)峻的“氣候變化”形勢面前，減少二氧化碳等溫室氣體的排放已成為應(yīng)對“困局”的必然選擇?！堵?lián)合國氣候變化框架公約》的最終目標(biāo)就是“將大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在防止氣候系統(tǒng)受到危險的人為干擾的水平上”。
碳排放的量化監(jiān)測是各國最終實現(xiàn)溫室氣體減排的重要技術(shù)基礎(chǔ)和保障，而所有的碳排放量監(jiān)測手段中，目前只有星載高光譜溫室氣體探測技術(shù)，既能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣中CO2等溫室氣體濃度進行高精度探測，又能夠獲取全球各區(qū)域氣體濃度分布數(shù)據(jù)。
正因如此，各發(fā)達國家紛紛積極研發(fā)專用的、高精度溫室氣體觀測衛(wèi)星。但由于極高的技術(shù)難度，目前僅有兩顆衛(wèi)星從太空監(jiān)視地球溫室氣體排放：一顆是日本于2009年發(fā)射的溫室氣體觀測衛(wèi)星“呼吸”號(GOSAT)衛(wèi)星，另一顆是美國2014年發(fā)射的“軌道碳觀測者”(OCO-2)衛(wèi)星。
OCO-2衛(wèi)星
在這樣的背景下，“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項目(簡稱全球碳監(jiān)測衛(wèi)星項目)于2011年立項。經(jīng)過近6年的攻關(guān)研制，中國首顆二氧化碳觀測科學(xué)實驗衛(wèi)星于2016年12月成功發(fā)射。
小個子大本領(lǐng)
碳衛(wèi)星的主載荷
碳衛(wèi)星是一顆高空間分辨率和高光譜分辨率的全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)試驗衛(wèi)星，以高光譜二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀為主要載荷，監(jiān)測精度為1-4ppm，具備對全球、中國及其它重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度的監(jiān)測能力。
碳衛(wèi)星實現(xiàn)大氣溫室氣體探測是基于大氣吸收池原理，CO2、O2等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對吸收光譜的強弱進行嚴(yán)格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應(yīng)用反演算法即可計算出衛(wèi)星在觀測路徑上CO2的柱濃度。
溫室氣體大氣吸收池原理示意圖
通過對全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型計算，可推演出全球CO2的通量變化(單位時間通過單位面積的CO2總量)，這正是碳循環(huán)研究的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
碳循環(huán)示意圖
要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率CO2探測儀。該載荷采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細(xì)分，能夠探測2.06µm、1.6µm、0.76µm三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而CO2探測儀可以把指紋放大一百倍，精細(xì)地測量每條指紋的寬度和深度。如此高的分辨率在國內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。
CO2探測儀通過一塊指向反射鏡對外部光線進行收集，這塊指向鏡在設(shè)計時被巧妙地設(shè)計成“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測時折射光線;一面漫反射面，在定標(biāo)時對準(zhǔn)太陽，利用漫反射光來定標(biāo)儀器精度。
CO2探測儀使用的核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度要求，同時要能夠適應(yīng)苛刻的太空環(huán)境要求。為突破這項關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(chǔ)的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點點攻克技術(shù)難點，最終在SiC基底上制造出高精度衍射光柵，并在航空校飛試驗中進行了驗證。
大面積全息衍射光柵
一個好漢三個幫
配角也不簡單
一個好漢三個幫，碳衛(wèi)星另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀雖然不是主角，但也別小看它，它可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO2濃度，剔除干擾因素，帶來很多意想不到的收獲。
碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)
在項目立項論證時，云與氣溶膠探測儀只規(guī)劃了0.38mm、0.67mm、0.87mm、1.64mm四個光譜通道;但隨著地面應(yīng)用系統(tǒng)的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375mm探測通道，并在0.67μm和1.64μm波段實現(xiàn)0°、60°、120°三個方向的偏振測量功能。
為了獲取更加豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)，項目組成員克服困能，重新對儀器進行了設(shè)計，按照應(yīng)用系統(tǒng)的需求增加了相應(yīng)的探測通道。
圖為多譜段云與氣溶膠探測儀特寫
增加探測通道后，利用偏振信號對氣溶膠敏感而對地表不敏感的特點，可以提取氣溶膠光學(xué)厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標(biāo)量信號對地表敏感的特點，經(jīng)過大氣訂正，得到地表反射率，從而實現(xiàn)對氣溶膠和地表反射率的同時反演。
這樣不僅可以獲取全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。
碳衛(wèi)星研制團隊
用青春書寫綠色使命
2011年，碳衛(wèi)星項目正式啟動。鑒于項目意義大、技術(shù)指標(biāo)高、研制周期緊等特點，中科院長春光機所以“天宮一號”超光譜成像儀研制團隊為基礎(chǔ)，組建了一支既有一定工程經(jīng)驗、又年輕富有戰(zhàn)斗力的科研團隊。項目啟動時，“碳衛(wèi)星”載荷研究團隊32人，平均年齡不到33歲，其中CO2探測儀負(fù)責(zé)人研究員鄭玉權(quán)39歲，CAPI探測儀負(fù)責(zé)人顏昌翔研究員38歲。正是這樣一支年輕的隊伍，開啟了碳衛(wèi)星載荷研制攻堅戰(zhàn)。
6年中，研究團隊沉著應(yīng)對種種困難，按照關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和航天工程實施兩條線索開展工作。先后完成了兩臺載荷的設(shè)計、原理樣機研制及驗證、初樣載荷研制、航空校飛試驗等工作，突破了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。取得突破的過程中，也凝聚了團隊成員大量的心血。由于儀器性能要求，CO2探測儀在軌時需要在零下20度溫度條件工作，由此要求儀器的所有組件裝配均需要在零下20度低溫下進行。當(dāng)室外氣溫已經(jīng)升至20℃時，裝調(diào)小組的幾個年輕人需要穿著厚厚的羽絨服，在零下20℃的低溫箱中進行光機裝調(diào)，而這樣的工作一開始就要持續(xù)2-3個月。
整個載荷主體，橫豎1平方米。當(dāng)它身披著“黃金圣衣”沖向宇宙時，便擔(dān)負(fù)起保護人類、控制溫室氣體排放的神圣使命。而中科院長春光機所碳衛(wèi)星研制團隊的小伙子們，也隨著項目的完成邁入了而立之年。他們從無到有，實現(xiàn)技術(shù)突破;又迎頭趕上，比肩國際先進水平。他們在“碳索”的過程中，用青春譜寫了科研夢!
