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中国首颗“碳卫星”发射,专访碳卫星地面应用系统总指挥张鹏研究员

时间: 2016年12月23日 | 作者: 吴非 | 来源: 环球科学
我国首颗二氧化碳监测实验卫星发射升空

 

 

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12月22日凌晨3点,我国首颗二氧化碳监测实验卫星TanSat在酒泉卫星基地成功发射。上周,碳卫星地面应用系统总指挥张鹏研究员接受了《环球科学》记者的采访,向我们介绍了这颗太空中观测大气碳含量的“眼睛”。

 

近期,巴黎气候大会和美国新任总统特朗普对气候问题的言论使得气候变暖屡次站在舆论的风口浪尖。目前,科学家对全球气候变暖的细节问题仍存有诸多争议,但主流气候学家认同的是,人类活动排放的二氧化碳导致近两百年间大气二氧化碳浓度急剧上升,是全球变暖的直接原因。而开展气候研究的基础,自然是准确、实时地掌握全球大气中二氧化碳的浓度变化。

 

1958年,美国科学家查尔斯·基林在夏威夷的莫纳罗亚山上建立起全球首个大气二氧化碳浓度监测站,开启了全球二氧化碳监测的序幕。在随后的半个多世纪里,我们通过来自莫纳罗亚山等一系列地面监测站的数据,了解到二氧化碳浓度季节性变化的规律,见证了全球大气二氧化碳浓度从不到320ppmv攀升至400ppmv的过程。

 

截止2008年10月,全球的大气二氧化碳地面监测站有282个——这些站点帮助我们掌握全球平均大气二氧化碳的浓度,但这一数据密度不足以为我们绘制全球大气二氧化碳的分布图。此外,揭示全球碳循环的关键信息——全球二氧化碳的通量变化,也就是二氧化碳的流通情况,根据现有的地面监测数据也无法准确获知。因此,对全球二氧化碳信息的全面了解急需覆盖全球的监测,而实现这一目标的手段就是碳卫星。

 

2009年,日本成功发射了全球首颗碳卫星GOSAT。同年,美国航空航天局(NASA)的OCO-1卫星发射失败,之后NASA于2014年成功发射了OCO-1的替代品——OCO-2。目前,这两颗碳卫星承担着监测全球二氧化碳浓度的任务。而随着中国自主研发的碳卫星TanSat成功发射,它也将加入全球二氧化碳的监测行列,在700千米高的太阳同步轨道上为我们提供第一手的信息。

 

TanSat如何进行监测?

 

大气中,每种分子均吸收特定波长的光线。因此,从地面或海面反射的光线中,保留着各类气体产生的特征吸收光谱,TanSat的主要载荷——高光谱二氧化碳探测仪正是通过对特定波长光谱吸收情况的探测,间接得出观测区域大气二氧化碳的浓度。

 

高光谱二氧化碳探测仪设有3个通道,其中,在1.6微米和2.06微米处的两组通道分别对应二氧化碳分子产生的强、弱两个特征吸收光谱带。二氧化碳在大气中的浓度只有400ppmv,也就是说,按照体积混合的比例来算,在每一百万份大气中,只有400份是二氧化碳。而大气中二氧化碳浓度的变化量也只是400ppmv中的10%左右,要探测出如此细微的含量变化,探测仪需要具有极高的光谱分辨率和探测灵敏度。在TanSat中,光谱分辨率最高可以达到0.04纳米,仪器信噪比要在300以上。

 

由于TanSat收集的是从被监测地面到卫星的路径上,整层大气柱中的二氧化碳总量,因此在测定大气二氧化碳浓度的过程中,海拔高度成为了不容忽视的影响因素。为了排除海拔的影响,二氧化碳探测仪在0.76微米处设置了一条氧气吸收通道。氧气在大气中的比例固定,可以用作大气柱高度的参考气体。

 

对气柱高度的校正只是获取精确的二氧化碳浓度数据的一项工作,研究人员还需将大气中的其他干扰因素排除在外。

 

当你查看一张全球实时卫星云图,你会发现全球70%的区域都被云层覆盖。当云层存在时,卫星只能监测云层以上的大气柱,因此只有在晴朗无云的条件下,TanSat的监测结果才有意义。TanSat的另一个载荷——多频段云与气溶胶探测仪,正是通过含有偏振信息的特定光谱吸收通道,辨识出云层信息。

 

云与气溶胶探测仪的另一个作用,是排除大气气溶胶的干扰。大气气溶胶是悬浮在空气中的固态、液态颗粒物,我们熟悉的雾霾就是气溶胶含量超标的情况。气溶胶使阳光发生散射,从而影响到碳卫星最终接收到的辐射信息。当近地面有大量气溶胶时,云与气溶胶探测仪可以对其含量进行测定,这一结果将用于对二氧化碳浓度的修正。

 

TanSat采集到原始数据后,地面应用系统将对卫星观测资料进行接收、汇集和资料加工处理。依托风云极轨卫星的北极圈瑞典基律纳站和国内的佳木斯、乌鲁木齐地面接收站,TanSat观测的全球原始数据被传送汇集至中国气象局国家卫星气象中心,在这里研究人员将数据进行定位、光谱定标和辐射定标处理,产生高精度的高光谱分辨率辐射信号。随后,结合地面监测站的历史数据,科学家对信号进行反演,最终得到精度在1~4ppmv的全球二氧化碳浓度数据。

 

TanSat发射3~6个月后,国家卫星气象中心将联合中国科学院的仪器研制单位完成对TanSat各项功能和性能指标的在轨测试和评价,随后有望发布第一批全球二氧化碳数据。张鹏介绍说,二氧化碳浓度数据将对全球的用户公开,成为全球二氧化碳监测网络的重要组成部分。

 

TanSat的意义?

 

2014年12月,NASA公布了一张全球月均二氧化碳分布图(见下图),这是通过OCO-2数据得出的首张二氧化碳全球地图。(两极地区由于极夜或太阳的照射角过于接近地平线,是碳卫星的观测盲区)图片清晰地展示了各地二氧化碳的浓度,但如果你还记得碳卫星的最终目标——掌握全球二氧化碳的通量变化,你会发现一个月的时间间隔根本不足以实现这一目标。

 

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OCO-2获取的全球月均二氧化碳分布图。图片来源:NASA

 

数据获取周期过长是目前碳卫星所面临的一大困境,而导致这一状况的根本原因,就是碳卫星监测到的数据点还远远不够。

 

在下面的视频中,方形色块表示OCO-2投影到地面的二氧化碳浓度的监测足迹。可以看出,OCO-2仪器观测范围十分有限。此外,在卫星运行的路线上,有大片数据空缺的区域,这主要受到了上文提到的云层影响,此时观测无法正常进行。无论是OCO-2还是TanSat,它们的回归周期均为16天。也就是说,如果错过了某地点的数据,那么卫星在16天后才能回到这一地点。因此,碳卫星需要通过多次绕行才能积累全球的数据。

 

既然一颗碳卫星不足以解决问题,最直接的手段自然是增加碳卫星的数目。中国的TanSat实际上与日、美的碳卫星形成了相互补充的关系。张鹏说:“对于一颗碳卫星而言,目前最好的情况是得到二氧化碳的月平均分布,随着碳卫星数目的增加, 10天平均甚至更短周期的数据都有可能实现。”在张鹏看来,描述CO2的变化,需要更多卫星累积基础数据。“有了数据,才可能为全球气候变化的研究、全球温室气体减排政策提供基础。”

 

撰文 《环球科学》记者 吴非


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