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“千里眼”监测二氧化碳排放

发布时间:2016-12-23 15:49 来源:光明日报 作者:袁于飞 本报见习记者 周艺珣

  12月22日凌晨,我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星,成功到达距离地球700多公里外的太空,开始进行全球二氧化碳排放的监测工作。

  “现在世界各地在统计碳排放时,许多国家各自通过化石燃料燃烧数量和效率来计算,具有很大的不确定性。这颗卫星上天后,可以帮助我国科学家弄清全球二氧化碳的分布、排放情况和变化趋势,让我国在应对气候变化时真正做到有的放矢。”中国气象局卫星气象中心总工程师、碳卫星首席应用科学家卢乃锰接受记者采访时表示。

  工作原理:解码阳光反射信息

  一段时间以来,人们就开始对产生温室效应的二氧化碳进行地面观测。有人会疑问,通过地面观测站来近距离“观察”二氧化碳不是更清楚吗,为什么要发射专门的卫星呢?

  卢乃锰说:“科学家们如此安排自然大有深意。科学家正是看中了碳卫星的飞行能力和空间对地遥感的技术。碳卫星每天都在绕着地球跑圈,只要几个月,就能看到全球每个角落的二氧化碳情况。相比之下,二氧化碳地面观测站固然好,但即使在2010年前后,全球范围内这样的观测站也只有200多个,只靠它们无法画出一张全球二氧化碳分布图。”

  “碳卫星其实并不能直接看到二氧化碳在哪里,而是去看太阳光穿过大气照到地面后反射出来的光,或者经大气散射出来的光,通过这些光来‘解码’出二氧化碳的分布情况。”卢乃锰说。太阳光分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色谱,而实际上,太阳光的色谱远不止这些。太阳光经过大气,总有一些特定的频点被其中聚集的二氧化碳吸收。如果卫星看到反射或散射出来的光中特定的频点很弱,那么可以推断这里的二氧化碳分子比较密集;反之,特定频点很强,则可推断二氧化碳分子较少。这个推断过程就是科学家通常所说的“反演”。

  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研究员介绍,碳卫星在绕地飞行的时候,把东西向20公里范围内的信息收集起来,然后把带有太阳光反射或散射情况的信息放在信号里,交给建在地面的三个接收站,进而送至国家卫星气象中心进行处理。整个处理过程的核心就是反演:一个地球模型来描述大气的二氧化碳状况;一个太阳的模型,包括太阳光的光谱、强度、照射的角度情况;卫星观测信息和地面观测检验站资料一起送到反演系统,最终得到不同地区的二氧化碳浓度信息。

  张鹏介绍:“碳卫星有两样宝贝载荷,一个用来观测二氧化碳,一个用来观测云与气溶胶。”

  技术突破:能捕捉百分之一微小变化

  从哥本哈根气候变化大会之后,全世界都在持续关注二氧化碳问题。日本在2009年发射了碳卫星GOSAT,美国在经历了一次失败后,锲而不舍,最终于2014年发射了碳卫星OCO-2。

  “碳卫星是‘高大上’的技术卫星,对仪器的灵敏度要求很高。现在二氧化碳浓度变化很快,但也只是在每年零点几个ppm到1个ppm之间,要把信号探测出来,仪器灵敏度不高根本就不行。”科技部国家遥感中心总工程师李加洪表示,“碳卫星搭载的超高光谱二氧化碳探测仪,几十纳米的带宽上,人眼看是一个颜色,而通过探测仪的2000多个通道,就具备了微小差异颜色的区分能力。这也只有中科院长春光机所制造的200×200毫米的大面积光栅才能做到,它填补了这一领域的国内技术空白。”

  李加洪介绍:“经过我国科学家的努力,我国碳卫星的灵敏度可以发现优于4个ppm二氧化碳的变化,接近美国OCO-2的水平。而在民用卫星里,没有哪个小伙伴比碳卫星的观测模式更复杂,碳卫星有3种观测模式和多种指向。与一般的光学卫星小伙伴不同,碳卫星做的工作并不是简单的目标识别,比如像是看地面有一个什么建筑;跟气象卫星小伙伴基本类似,它们装载的大气探测仪器主要是在红外和微波吸收谱段,利用水汽、二氧化碳或氧气气体吸收波段进行遥感探测,而碳卫星是在可见光和近红外谱段氧气和二氧化碳吸收波段遥感探测,当然光谱分辨率要更高。”

  卢乃锰介绍,气象卫星在国内是领头羊,比其他卫星的发展时间早十几年。气象部门的科学家对卫星反演技术也是如数家珍。然而,对利用可见光和近红外探测结果进行大气成分的反演,这还是头一次,所有的反演验证系统都要重新设计。科学家们联合攻关,终于啃下了这块硬骨头,填补了技术空白。

  精确计算:哪里排放二氧化碳一览无余

  获得一张覆盖全球二氧化碳监测图,需要碳卫星在太空跑2到3个月。

  “实际上,科学家对碳卫星抱有很大期待:二氧化碳的流动情况是什么样子的,即通量如何;它是从哪里排放出来的,又在哪里被植被、海洋等吸收,也就是通常所说的源汇情况。”地面应用系统总设计师杨忠东说。

  科学家怎样得到源汇呢?杨忠东表示,这就需要更多的卫星获得的二氧化碳遥感浓度,然后利用大气二氧化碳输送模型,进行通量模拟计算。首先有一个大气的模型,勾画出大气的流场,描述风往哪儿吹。然后告诉大家二氧化碳浓度是怎么分布的。在此基础上,科学家们就能推算,这种浓度下,它会吹到什么地方去,通量是多少。如果多几个频次观测,就能最终知道是什么地方排放了这些二氧化碳。比如一个城市吹出去的二氧化碳多,吹进来的少,那毫无疑问,这个地方肯定有排放。

  据介绍,碳卫星准确进入距离地面700公里外的工作轨道后,将进行6个月的在轨测试。如果一切顺利,碳卫星获取的数据将加载到国家综合地球观测数据共享平台,除向国内各类用户提供数据共享服务外,还将通过全球生态环境遥感监测年度报告(GEOARC)发布专题报告。据悉,我国的碳卫星有望与NASA、OCO-2、GOSAT开展合作,加上欧洲将要发射的碳卫星,就能实现多卫星联合观测,以便更好地造福人类。

  (本报酒泉12月22日电 本报记者 袁于飞 本报见习记者 周艺珣)

【责任编辑:姜继葆】
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