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我國首顆碳衛星發射成功  千里之外監測全球二氧化碳濃度

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原標題:我國首顆碳衛星發射成功  千里之外監測全球二氧化碳濃度

12月22日凌晨3時22分,我國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星(簡稱“碳衛星”)發射升空。它成為巡游在地球上空700公里的第三位全球二氧化碳“體檢師”。碳衛星將在宇宙中不斷變換觀測模式,完成對全球二氧化碳的監測,并借助模式同化和反演技術最終形成全球碳排放情況的“體檢報告”。

“小衛星肩負大使命。”國家遙感中心總工程師李加洪說。監測全球二氧化碳分布情況,這是中國應對全球氣候變化采取的積極行動,也體現了我國的“大國擔當”。而且,知己知彼,才能在全球氣候談判中掌握主動權,發出“中國聲音”。

二氧化碳在大氣中的濃度本就非常低。碳衛星總設計師尹增山介紹,從2011年到2016年年底,經過近6年研制,我國碳衛星探測精度達到了優于4ppm(百萬分比濃度)水平。也就是說,當大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時,碳載荷就會發現。

如何發現?實際上,碳衛星對二氧化碳濃度采用的是“間接測量”法。大氣在太陽光照射下,二氧化碳分子會呈現光譜吸收特性,碳衛星通過精細測量其光譜吸收線,可以反演出大氣二氧化碳濃度。

但這根線非常窄。要獲取高精度的大氣吸收光譜,就要依靠碳衛星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。二氧化碳探測儀核心的技術指標和難點就是要同時實現高光譜分辨率和高輻射分辨率,這就如同檢查人的指紋,普通儀器只看得到紋理,而二氧化碳探測儀可以把指紋放大一百倍,精細測量每條指紋的寬度和深度。

“要達到這么精細的分辨率,必須要有大面積光柵。”中科院長春光機所研究員鄭玉權告訴科技日報記者,為突破這項關鍵技術,科研人員從最基礎的制造全息光柵所需的高精度曝光系統研究出發,一點點攻克技術難關,最終在碳化硅基底上制造出高精度衍射光柵,并在航空校飛試驗中進行了驗證。

碳衛星探測儀上的大面積衍射光柵,能夠探測2.06微米、1.6微米、0.76微米三個大氣吸收光譜通道。“光譜測量的精度要求極高。”鄭玉權解釋說,在人眼最敏感的黃、綠波段,人眼對“色彩”(光譜)分辨率極限也只有1—2納米,而二氧化碳探測儀光譜分辨率最高可達0.044納米。達到這樣的分辨率,在國內光譜儀器的研制上尚屬首次。

說起研制過程,鄭玉權感慨頗多。6年的載荷研制,是預研攻關和工程實施的結合。他們從無到有,實現技術突破;又迎頭趕上,比肩國際先進水平。“反正,遇到問題的彷徨、解決問題的艱辛和最終找到答案的歡樂,我們全嘗遍了。”

碳衛星上的“配角”——云與氣溶膠探測儀也不可小覷。氣溶膠,通俗點說,就是大氣中的塵埃。多譜段云與氣溶膠探測儀載荷負責人、長春光機所空間三部副主任顏昌翔研究員說,大氣氣溶膠是大氣輻射平衡和氣候變化研究中不確定性的一個關鍵因素,它對全球氣候的影響主要表現在其對云層的影響上。大氣中存在薄云或氣溶膠時,由于大氣粒子的散射作用,將改變太陽輻射的光學厚度和二氧化碳總的柱吸收作用,使得反演精度大大降低;此外較厚的云層還降低了二氧化碳探測數據的有效性。因此,該探測儀可以幫忙排除探測時云和氣溶膠的影響,提升二氧化碳探測數據的可靠性。碳衛星地面應用系統總設計師楊忠東表示,從設計能力上來講,這款探測儀可以為研究霧霾提供重要數據支撐。

“碳衛星本身就肩負著‘創新’使命。”李加洪說。作為一顆科學實驗衛星,碳衛星身上,至少有四項大膽的技術創新——大面積光柵、多模式定標、敏捷姿態調控以及復雜的反演驗證系統。“我們碳衛星的整體水平,比日本的還要高。雖是‘后發’,但我們已經實現了‘并跑’。”

技術上的卓越,并非這顆碳衛星的唯一追求。在大約半年的在軌測試之后,碳衛星將正式開始兩年半的工作——讓二氧化碳濃度數據“到碗里來”。“我們將按照應用需求,對后期數據進行加工、處理、共享和服務。”李加洪透露,科技部聯合中國科學院和中國氣象局已經制定了碳衛星數據管理辦法。碳衛星數據將加載到國家綜合地球觀測數據共享平臺,向國內各類用戶提供數據共享服務。在國際合作方面,這些數據也會向地球觀測組織(GEO)共享,這也是中國對GEO的實質貢獻。

“一顆衛星遠遠不夠。”不過,讓楊忠東欣慰的是,六年來,他們不僅收獲了這顆衛星,還了解和掌握了二氧化碳高精度遙感監測儀器的制備過程。“要滿足中國社會經濟的發展需求,我們還要更多碳衛星。”第一顆有了,后續的,也就不再遙遠。

(科技日報酒泉12月22日電)

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責任編輯: 閆月

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