碳卫星是怎样“炼”成的

　　碳卫星很小,但它却是我国迄今为止观测模式最复杂的民用卫星,它通过多种观测模式的组合,让碳排放无处遁形。

　　碳卫星工程总体副总指挥龚建村表示,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。别小看这个二氧化碳探测仪,它可是监测碳排放的主力,采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分,最高分辨率达0.04nm,如此高的分辨率在国内光谱仪器上尚属首次。

　　科学家将这项操作类比检查人的指纹,普通仪器只看得到纹理,而二氧化碳探测仪可以把指纹放大100倍,精细地测量每条指纹的宽度和深度。

　　要实现这些核心指标可不是一件容易的事情。科学家们既需要对观测和定标进行巧妙的设计,还需要能做出极高的衍射效率和面型精度大面积全息光栅。据中科院长春光机所研究员郑玉权介绍,为突破探测仪上的关键技术,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SiC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。

　　二氧化碳探测仪与其他很多星载光学载荷不同,为提高两个红外通道的信噪比、保证光谱探测精度,其在轨工作时要保持在-5℃的温度水平。就是这一简单的条件变化,让科研人员付出巨大努力。在载荷初样、正样研制最紧张的阶段,研究人员连续数月在低温室里工作,经常是户外30℃以上的高温,而在低温室内,却要穿着厚厚的羽绒服、冻着手坚持装调。

　　好容易练就了观测技能,碳卫星还面临着定标难题。二氧化碳探测仪定标系统负责人蔺超介绍,定标技术是确保光谱仪器最终实现精度的关键技术,为保证光谱数据的精准,必须在实验室和在轨工作时,对仪器的光谱性能和辐射性能进行精准标定。科研人员不但为二氧化碳探测仪量身特制了真空定标系统,还利用可调谐激光器和波长及搭建自动化定标系统,大幅提高了实验室定标的效率,使仪器的定标周期较美国的碳卫星OCO-2大幅缩短。

　　为让二氧化碳浓度探测更加精准,科研人员还给碳卫星装上了另一台载荷——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,为精确反演CO2浓度剔除干扰因素。

　　当然,云与气溶胶探测仪作用还不仅于此。据科技部国家遥感中心总工程师李加洪介绍,它还能够获取全球尺度的气溶胶数据,这不仅可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,还可以为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

　　此外,在科技部、中国科学院的共同组织下,碳卫星按照航天工程模式,组成了卫星、运载、发射场、测控、应用五大系统。

　　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。这些数据并不是直接可用的二氧化碳浓度分布,需要经过气象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。

　　“相比以往气象卫星涉及的反演问题,碳卫星所涉及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。”碳卫星首席应用科学家、国家卫星气象中心总工卢乃锰说。

　　碳卫星地面应用系统总设计师杨忠东告诉记者,“二氧化碳气体绝对含量少,要在大的噪音中找到如此小的量,非常难。为此,国内优势单位集中起来联合攻关,啃下了这块硬骨头,填补了国内技术空白。我们以物理模型为基础对大气化学成分二氧化碳的反演,进入了一个新领域”。

　　碳卫星肩负着巨大的使命进入太空探索,除了进行相关科学试验,更好地掌握二氧化碳的全球分布规律、机理,还有巨大的应用价值。“后期卫星传送的信息进行处理、加工、分享、服务时都会按照应用需求,与其他国家共享,同时有效指导我国的节能减排。”李加洪说。