全球二氧化碳監測科學實驗衛星

為有效掌握全球二氧化碳分佈情況，“十二五”國家863計劃設置了“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示範”重大項目（簡稱“碳衛星”）。

“碳衛星”以二氧化碳遙感監測為切入點，建立高光譜衛星地面數據處理與驗證系統，形成對全球、中國及其它重點地區二氧化碳濃度監測能力，監測精度優於4ppm，這一精度已達到高光譜大氣痕量氣體探測方面的國際先進水平。

2016年3月，中國首顆“碳衛星”載荷研製已進入衝刺階段，衛星將於2016年出廠后擇機發射。

負責本次發射任務的長征二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司上海航天技術研究院研製。此外，本次任務還搭載發射中科院微小衛星創新研究院自主安排研製的1顆高解析度微納衛星和2顆高光譜微納衛星，有效載荷由中科院光電研究院研製。這是長征系列運載火箭的第243次飛行。

經過平台測試、載荷加熱排污等一系列工作后，有效載荷於2017年1月12日成功開機，13日轉入在軌觀測任務模式並獲取首批觀測數據，其中包括碳衛星高光譜二氧化碳監測儀獲取、經過地面處理生成的碳衛星第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收光譜圖。這也是我國從太空獲取的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收高解析度光譜圖。

2017年2月17日，碳衛星在軌測試的各項準備工作已經完成。在軌測試工作預計於5月份結束。

2018年2月28日，從中國科學院遙感與數字地球研究所獲悉，該所研究員劉良雲科研團隊利用中國首顆二氧化碳觀測科學實驗衛星數據，開展了全球植被葉綠素熒光衛星反演研究，於近日成功獲得首幅全球葉綠素熒光反演圖。

2018年4月19日，我國首顆碳衛星獲取的第一幅，全球二氧化碳分布圖對外公布。該分布圖的獲取，有助於準確監測二氧化碳的時空變化、排放與吸收情況，深入研究其與全球變暖的關係，進而在未來對氣候變化做出精確預測，力助世界各國制定合理減排計劃。

目前，我國碳衛星二氧化碳光譜數據（即一級數據）已經向全球開放共享。

2016年12月22日，中國科學院微小衛星創新研究院抓總研製的我國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱“碳衛星”）在酒泉衛星發射中心成功發射。碳衛星在軌測試工作由中國氣象局國家衛星氣象中心牽頭組織，先後完成了對日定標、對月定標測試，敦煌輻射校正場、北京地面觀測站、芬蘭地面觀測站同步觀測試驗，以及與美國二氧化碳監測衛星OCO-2交叉比對試驗等在軌測試項目。2017年8月31日，中國氣象局在京組織召開了碳衛星在軌測試總結評審會。評審結論表明，碳衛星已完成在軌測試全部工作，衛星各項功能、性能指標符合研製任務書的要求，取得圓滿成功。

碳衛星每天繞地球飛行約14圈，探測寬度20公里。在繞地球兩極運行的過程中獲取全球二氧化碳濃度信息，以準確展示人類活動與自然體系是如何排放和吸收這種溫室氣體的。

繼日本GOSAT和美國OCO-2衛星后，全球第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛星。

摸清二氧化碳的來去“蹤跡”

氣候變化一直是全世界關注的熱詞。但是，國際上對影響全球氣候變化關鍵因子的連續監測和分析仍很薄弱，尚未形成完備的基礎數據。

“從人類有限的對大氣二氧化碳的地面直觀觀測史來看，150年來，大氣中的二氧化碳的濃度已經從280ppm上升到400ppm。這導致過去100年全球平均氣溫上升了約0.7攝氏度，由此導致災害性天氣頻發、強度加大。”碳衛星首席應用科學家盧乃錳告訴科技日報記者，目前主流觀點認為，如果溫度繼續上升，即使此後將二氧化碳濃度減小，地球也會發生不可逆的變化。

那麼，問題來了：採集大氣中二氧化碳濃度的相關數據，全球地面都設有觀測點，為什麼要發衛星？“其實地面觀測的絕對精度要比衛星觀測精度高，但地基觀測不能解決全球大氣碳含量的空間分佈問題，更不能監測到海洋上空大氣中二氧化碳的含量。”盧乃錳介紹，2010年左右，全球的二氧化碳地面觀測站點僅有200多個，難以滿足監測需求。

當今碳循環科學面臨的最大問題，就是在全球和區域尺度上無法準確獲取二氧化碳通量（單位時間內通過單位面積的二氧化碳總量）信息。所以，需要通過空間觀測手段，完成對全球和區域範圍內二氧化碳的測量，以提高人類對全球碳循環過程的理論認識，進而改進氣候變化預測結果的可信度和穩定性。

一個好漢三個幫，碳衛星又來了“中國造”

正是基於上述認識，2009年，日本發射了世界首顆溫室氣體觀測衛星（GOSAT）。同年，美國的碳衛星（OCO-1）首次發射失敗，後於2014年再次發射其替代者OCO-2。

已有美日兩顆碳衛星在前，中國是否還有必要自立門戶？盧乃錳用我國氣象衛星的發展歷程來回應這一疑問：“當初中國一窮二白，在我們發射氣象衛星遭遇挫折的時候，很多人說，既然可以免費用日本的衛星數據，就不要發射自己的氣象衛星了，但從長遠角度看，作為一個大國，不能依賴國外，必須克服困難，堅定地走自主發展的道路，這樣才形成如今在氣象衛星領域美國、歐洲和中國三足鼎力的局面。”

在二氧化碳監測問題上，更為現實和迫切的需求是，中國必須擁有自主數據才能在全球氣候談判中掌握主動權。持家得先有賬。國家遙感中心總工程師李加洪接受科技日報獨家專訪時說，中國政府研製併發射碳衛星，對全球大氣中二氧化碳濃度進行動態監測，進而給出全球碳分佈數據，不僅是中國應對全球氣候變化採取的積極行動，而且也體現了負責任大國的擔當。

同時，在李加洪看來，“做全球二氧化碳監測僅僅一兩顆衛星是不夠的，我國是第三顆，歐洲也將碳衛星列入計劃。我們希望通過這顆衛星和其他幾個國家合作形成碳衛星‘虛擬星座’，聯合觀測大氣二氧化碳，為全球氣候變化提供更加豐富的監測數據”。

研製：從心裡沒底到“跳起腳能夠得著”

李加洪回憶，早在2009年，根據863計劃地球觀測與導航領域辦公室的部署，國家遙感中心就在思考“十二五”的布局，對包括日本GOSAT衛星發射和美國發射失敗的OCO-1等都非常關注，並專門諮詢童慶禧院士：“中國該不該搞自己的碳衛星？”得到的是堅定的肯定回答：“從戰略層面必須做。”

“863地球觀測與導航領域專家組在前期領域戰略研究工作的基礎上，考慮‘十二五’部署哪些項目時，大家對發射碳衛星這件事已達成共識，問題是我們能否做得了和怎麼做。”盧乃錳回憶。

碳監測衛星是我國的空白，對於我國科研人員來說是一種全新的挑戰，只能摸著石頭過河。“我們剛開始也是兩眼一抹黑。這類衛星對於光學儀器的要求非常高，我們在元器件等各方面是否能滿足需求？”盧乃錳說，沒有人敢打包票，“在走訪了全國十多個相關單位后，大家心裡有點底了。”

中國碳衛星還載入了真正意義上的雲與氣溶膠監測儀。李加洪解釋：“利用它能排除雲和空氣中氣溶膠的影響，也就是解決對二氧化碳監測的‘噪音’干擾問題。”

具體到指標設計，盧乃錳說，“我們在反覆權衡功能、精度和工藝水平后，確定了合適的配置方案”。最終，在“跳起腳能夠得著”的宗旨下，中國的碳衛星不僅實現了各項設計指標，還極大地帶動了我國多項相關技術的突破。

“863計劃+航天工程”管理的完美聯姻

“碳衛星由863計劃立項，前期主要按照863項目管理，但後期工程主要以航天工程模式進行管理。”參與863計劃全過程管理的李加洪介紹，中科院負責碳衛星工程的組織實施，中國氣象局負責地面應用系統。該工程按照航天工程管理模式，專門成立了衛星工程總師和總指揮兩總管理體系，通過工程“兩總”體系，使得863項目管理和航天工程管理之間得到了有機結合，實際也實現了國家科技計劃中工程性項目的管理創新。

“該項目立項還緊密結合相關部門的需求，如它與中科院先導專項的碳專項緊密結合，也與中科院一直推動系列科學實驗衛星計劃不謀而合。”李加洪說。

“千里眼”看顏色識氣體

從厚厚包裹著地球的大氣層中，識別出哪些氣體是二氧化碳，還要畫出一張張“動態圖”——碳衛星需要安上特製的“千里眼”。

本次發射的碳衛星，搭載了一台高光譜與高空間解析度二氧化碳探測儀。這台探測儀的工作原理，是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度。

用通俗的話說，就是通過看“顏色”來識別二氧化碳氣體。中科院長春光學精密機械與物理研究所研究員鄭玉權解釋，太陽光經過空氣時，空氣中的二氧化碳分子對許多精細的顏色有了不同程度吸收。通過光學儀器對這些色彩進行非常精準的測量，可以反向推算出二氧化碳分子數量，從而得知大氣中的二氧化碳濃度。

碳衛星項目要求大氣中二氧化碳的濃度監測精度優於4ppm（百萬分比濃度），即是說，當大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時，“千里眼”就必須發現。

長春光機所助理研究員藺超說，長春光機所為此製造了大面積衍射光柵，相當於在頭髮絲的寬度上劃出200餘條形狀和直線度要求很高的刻線，“這樣的精密元件，如同細密梳子，才能過濾出更為精細的色彩”。

地面觀測點也能搜集大氣中的二氧化碳數據，為什麼還要發射衛星？碳衛星工程地面應用系統總設計師楊忠東說，全球二氧化碳地面觀測站點總共僅有數百個，難以滿足監測需求，只有用衛星俯瞰，才能繪製二氧化碳分佈的全景圖。

“碳排放”要有中國數據

掌握全球的二氧化碳分佈狀況有什麼用？科技部國家遙感中心總工程師李加洪說，在碳排放數據上知己知彼，對提升我國在國際氣候變化方面的話語權具有重要意義。

全球變暖、極端天氣……嚴峻的氣候變化形勢面前，減少二氧化碳等溫室氣體的排放成為必然選擇。碳排放的量化監測是各國最終實現溫室氣體減排的重要技術基礎，在所有的碳排放量監測手段中，目前只有星載高光譜溫室氣體探測技術既能對二氧化碳等溫室氣體濃度進行高精度探測，又能獲取全球各區域的氣體濃度分佈數據。

正因如此，各發達國家紛紛研發專用衛星。由於技術難度極高，目前僅有兩顆衛星從太空監視地球溫室氣體排放：一顆由日本2009年發射，一顆由美國2014年發射。

李加洪介紹，我國發射的碳衛星通過地面數據接收、處理與驗證系統，定期獲取全球二氧化碳分布圖，使我國在大氣二氧化碳監測方面躋身國際前列。

“持家先要有賬本，這個‘賬本’就是我們自己監測到的碳排放量。”李加洪說。

“高精尖”未來有望測霧霾

碳衛星上除了搭載二氧化碳探測儀，還有另一件“利器”——多譜段雲與氣溶膠探測儀。這台探測儀可以測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為科學家精確反向推演二氧化碳濃度剔除干擾因素。

多譜段雲與氣溶膠探測儀雖然不是“主角”，但可能會帶來許多意想不到的收穫。

楊忠東說，多譜段雲與氣溶膠探測儀能監測大氣中的顆粒物，可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，並為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

研究人員表示，具體如何監測霧霾，要等碳衛星傳送回第一份數據后再做分析判斷。

此外，碳衛星實現全球觀測，是衛星平台頻繁調整姿態、“翩翩起舞”的結果。在此過程中，科研人員突破了多項關鍵技術，實現了技術跨越發展。

作為中國首顆“碳衛星”載荷，二氧化碳探測儀、雲與氣溶膠探測儀的研製成功將為溫室氣體排放、碳核查等領域的研究提供基礎數據，為節能減排等宏觀決策提供數據支撐，增加中國在國際碳排放方面的話語權。