碳卫星利用高光谱进行全球“碳普查”

　　我国首颗二氧化碳监测科学实验卫星即将发射升空,它将用慧眼一探全球二氧化碳变化的秘密。

　　“我国还没有这么复杂观测模式的民用卫星,它通过5种观测模式的组合,完成对全球二氧化碳的探测,卫星装载的高光谱二氧化碳探测仪有2000多个通道,光谱解析度极高,卫星研制难度极大。”碳卫星首席应用科学家卢乃锰告诉科技日报记者。

　　利用光谱吸收特性一探究竟

　　与以往的气象卫星不同,碳卫星是在可见光和近红外谱段,利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。“大气在太阳光照射下,二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性,通过碳卫星对二氧化碳光谱吸收线的精细测量,就可以反演出大气二氧化碳的浓度。”卢乃锰说。

　　反演验证系统是获取卫星数据后计算出二氧化碳和气溶胶分布状况的关键环节,也是卢乃锰在采访中反复提及的技术关键。通俗来讲,太阳的光谱是确定的,如果已知二氧化碳浓度等大气状况,根据模型,计算出卫星应该观测到的光谱,是正演；而根据卫星获取的数据,由模型反算出二氧化碳浓度,就是反演。

　　“以往气象卫星所涉及到的反演问题,大多集中在红外和微波谱段,而碳卫星所涉及到的是可见光和近红外谱段的反演问题,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,重新设计全新的反演验证系统。我们集中国内优势单位联合攻关,终于啃下了这块硬骨头,填补了国内技术空白。”卢乃锰说。

　　国家遥感中心总工程师李加洪介绍,该项目后期还追加了航空遥感实验和地面观测反演。前者就是把二氧化碳探测仪放在飞机上先采集数据,让研究者在碳卫星发射前就能熟悉相关数据处理和反演方法,积累经验,确保碳卫星获取数据后及时开展应用。

　　 会跳华尔兹会翻筋斗,还能斜看竖看盯着看

　　卢乃锰给记者展示了一段碳卫星工作的模拟视频。“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,万一转过去转不回来了,怎么办呢?”他说,这种敏捷观测对卫星技术要求极高。

　　这颗卫星为什么需要不停旋转?这就涉及到其复杂的观测模式。碳卫星可以斜着看、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,利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测；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。

　　卢乃锰说,这相当于只有一只眼睛的卫星需要不停转换角度来完成对不同方向的观测。所以卫星要不断地调整姿态,就像跳优美的华尔兹。

　　这种复杂和高难度的“跳舞”观测,让碳卫星能够得到更加有效的全球二氧化碳分布信息。“日本的GOSAT(2009年发射的世界首颗温室气体观测卫星)的有效观测点只有300多个,我们在设计时加大了卫星的扫描宽度,增加了采样点,使得有效观测点比他们多了一个数量级。”卢乃锰说。

　　搭载二氧化碳和气溶胶两个探测仪

　　除了模块化卫星平台,高标准的载荷设计也是碳卫星研制的一大难点。碳卫星搭载了两个遥感仪器。一个是高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪,另一个是多频段云与气溶胶探测仪。

　　“几十纳米的带宽在肉眼看来就一个颜色,要在这上面布置2000多个通道,也就是要再精细分辨出2000多种颜色,这对光学仪器的材料和工艺来说是非常大的挑战。”卢乃锰说。

　　碳卫星项目要求大气中二氧化碳的浓度监测精度优于4ppm(百万分比浓度),也即是说,当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时,碳载荷就必须发现。为此,中科院长春光机所制造出200×200毫米的大面积光栅,填补了这一领域国内技术空白。

　　将会形成全球碳排放报告

　　我国的碳卫星大气二氧化碳反演精度可达到1-4ppm,比日本GOSAT监测精度高,与美国OCO-2相当。

　　在发射成功并经过半年的在轨测试后,碳卫星将正式投入运行,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,就会形成不同地区碳排放报告。

　　“要用好这颗星需做好四件事。”卢乃锰说,第一是卫星数据的预处理,包括卫星定位、光谱定标、辐射定标等工作；第二是此前强调的数据反演；第三是模式同化技术；第四是数据共享。

　　在这颗碳卫星基础上是否有安排后续业务星的计划?卢乃锰说,虽然这颗星还没有发射,但它的部分成果已经应用到很多碳监测的技术中,诸如风云气象卫星等国家空间对地观测卫星上,也都已经或正在考虑装载二氧化碳观测仪器。只是国家863计划走在了前面。

　　“科技部特别强调碳卫星数据向国内外共享,目前已经制定了数据管理办法,将适时对外发布。碳卫星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。在国际合作方面,将向地球观测组织(GEO)共享,作为中国对GEO的实质贡献；通过中欧‘龙计划’合作将与欧空局开展深度研究。”李加洪透露,前段时间,NASA主动提出合作, 随着中国、欧洲碳卫星的跟进,希望以后形成多卫星联合观测,进一步实现对外开放、数据共享。