地球大气环境的侦察兵
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2016年12月22日3时22分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号运载火箭成功将“全球二氧化碳监测科学实验卫星”(简称“嗅碳卫星”)发射升空。这是继日本“呼吸”号卫星、美国“轨道碳观测者”2号(OCO-2)卫星之后，全球第三颗嗅碳卫星。该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行，将使我国初步形成针对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度进行监测的能力。为什么要发射嗅碳卫星？嗅碳卫星如何嗅碳？我国发射的这颗嗅碳卫星有哪些先进技术？
为什么要发射嗅碳卫星
嗅碳卫星是人造地球卫星中专门测量地球二氧化碳浓度的卫星。嗅碳卫星对二氧化碳浓度的测量精度能够达到百万分之一，是人们掌握高精度二氧化碳测量数据的得力“助手”。借助卫星上携带的光谱仪等仪器，科学家们可以动态测量大气中不同来源的二氧化碳，监测海洋和森林等对二氧化碳的吸附情况。
为何要通过卫星来追踪二氧化碳？人类目前每年因使用矿物燃料向地球大气中排放的二氧化碳超过300亿吨，生物燃料、森林火灾以及农业焚烧等行为每年共排放二氧化碳达55亿吨。过去50年来，人类活动已导致大气中的二氧化碳水平升高了近20%。科学界认为，人类活动使自然界的碳循环失衡，以二氧化碳为主的温室气体是导致全球气候变暖的主要因素。因此，全球二氧化碳排放亟须更精确的监测研究。
目前，人类对二氧化碳掌握的知识体系还不健全，还有许多疑问待解决，例如，二氧化碳聚集在哪个区域、哪个大气层及其在大气中的运动和分布規律;温度怎样影响二氧化碳运动;自然界天然排放的二氧化碳所占比例是多少，这一比例如何变化以及海洋系统如何吸附二氧化碳;这些都能够由嗅碳卫星的数据进一步证实。所以，通过嗅碳卫星来掌握二氧化碳在各地区的循环和分布情况是研究气候变化的一条捷径。
嗅碳卫星如何“嗅碳”
我国研制的这颗嗅碳卫星，搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理是，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。简单来说，就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。因为太阳光经过空气时，二氧化碳分子对许多精细的颜色有不同程度的吸收，嗅碳卫星通过精细测量其光谱吸收线，可以通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测算，从而能反向推算出二氧化碳分子数量，最终得知大气中的二氧化碳浓度。
中国的嗅碳卫星
具有哪些先进技术
尽管中国的嗅碳卫星是个只有几百千克重的小卫星，却有着许多“高精尖”技术。
1.极高的灵敏度
二氧化碳浓度变化很快，但从数字上看，平均每年也只是在零点几个ppm到1个ppm之间变化，想把信号探测出来，仪器灵敏度不高的话，只能作罢。中国的嗅碳卫星上装着一个灵敏度很高的二氧化碳探测仪。几十纳米的带宽上，人眼看是一个颜色，而通过二氧化碳探测仪的2000多个通道，可以将这些微小差异的颜色区分开来，可以发现1～4个ppm二氧化碳浓度的变化，这不亚于美国OCO-2的水平。它是嗅碳卫星搭载的主载荷，可通过获取高精度的大气吸收光谱，应用反演算法计算出二氧化碳的浓度。此外，中国嗅碳卫星上还有一个连美国OCO-2卫星上都没有的云和气溶胶探测仪，它可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为精确反演二氧化碳浓度排除干扰因素，还可为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。
2.绘制覆盖全球的二氧化碳监测图
有了嗅碳卫星，如何算出全球范围内的二氧化碳排放也是个难题。全球范围内二氧化碳的流动情况是怎么样的？它是从哪里排放出来的，又在哪里被植被、海洋等吸收？这就需要把嗅碳卫星获得的二氧化碳遥感浓度，嵌套进大气二氧化碳传播模型中。我国科学家已攻破了这方面的难题。
3.复杂的反演验证系统
反演验证系统是获取卫星数据后通过模型反算出二氧化碳浓度，这也是技术难点。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，而嗅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。我国集中国内优势力量联合攻关，终于成功填补了国内有关技术空白。
4.稳定的舞步
嗅碳卫星只有一只“眼睛”，它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。这种没完没了、灵活多变的观测模式是卫星领域科学家最忌讳的——毕竟是在太空，没有任何着力点，要是翻过去翻不回来了怎么办？为了特定的科学目标，我国科学家解决了嗅碳卫星在天上不断“做动作”的难题。
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“嗅碳”家族三成员
由于技术难度极高，目前世界上仅有3颗嗅碳卫星在太空中工作，分别是观测大气中二氧化碳和甲烷等浓度的日本“呼吸”号、专门测量大气中二氧化碳浓度的美国“轨道碳观测者”2号以及我国新发射的首颗嗅碳卫星。
世界首颗温室气体观测卫星——日本“呼吸”号于2009年1月23日发射升空，配备高精度的传感器观测地球上二氧化碳等温室气体的浓度。
相比于日本的一鸣惊人，美国的嗅碳卫星研究之路则显得略微曲折。2009年2月，美国跃跃欲试，尝试发射首颗嗅碳卫星，但在发射升空过程中，运载火箭发生故障坠毁在南极附近海域。在查清原因后，美国国家航空航天局在2014年7月2日发射“轨道碳观测者”2号，主要使命是监测研究地球大气中的二氧化碳浓度水平。其中的“秘密武器”是3台高分辨率光谱仪，科学家可以通过这些仪器估算大气中二氧化碳等物质的相对浓度，以实现对地球大气二氧化碳水平更精确、全面的测算，并更准确地预测气候变化。
【责任编辑】蒲晖 (沈羡云)