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应对气候变化、全面监测全球二氧化碳浓度分布情况——
【文汇报】碳卫星如何让碳排放无处遁形
发布时间:2016-12-23 来源:文汇报 郭超豪 许琦敏 【字号:  

12月1日,在酒泉卫星发射中心,科研人员在试验帆板光照。新华社发

  为了应对全球气候变化、全面监测全球二氧化碳浓度分布情况,12月22日凌晨,我国发射了首颗二氧化碳观测科学实验卫星TANSAT,这是继日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星之后的全球第三颗“嗅碳”卫星。

  这颗碳卫星到底身怀什么样的绝技,能够让碳排放无处遁形呢?

  反演算法计算二氧化碳柱浓度

  碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理,二氧化碳、氧气等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收,形成特征大气吸收光谱,对吸收光谱的强弱进行严格定量测量,综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素,应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上的二氧化碳柱浓度。

  通俗地说,就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员郑玉权解释,太阳光经过空气时,空气中的二氧化碳分子对许多精细的颜色有不同程度吸收,通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测量,可以反向推算出二氧化碳分子数量,从而得知大气中的二氧化碳浓度。

  据介绍,碳卫星以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷,建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统,形成对中国及全球其他重点地区大气二氧化碳浓度监测能力,监测精度可达到1-4ppm (百万分比浓度)。

  高分辨率探测仪开国内光谱仪器先河

  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。二氧化碳探测仪采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分,能够探测2.06微米、1.6微米、0.76微米三个大气吸收光谱通道,最高分辨率达到0.04纳米,如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制中尚属首次。

  二氧化碳探测仪核心的技术指标和难点就是要同时实现高光谱分辨率和高辐射分辨率,这就如同检查人的指纹,普通仪器只能看得到纹理,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。

  为实现核心指标,二氧化碳探测仪突破了一系列核心关键技术。探测仪通过一块指向反射镜对外部光线进行收集,这块指向镜在设计时被巧妙地设计成“一镜双用”:一面镜面,用于观测时折射光线;一面漫反射面,在定标时对准太阳,形成漫反射光来定标仪器精度。

  巧妙设计的背后是加工制造难度的极大增加,一方面要保证镜面和漫反射面的高精度,另一方面要实现高度轻量化和高可靠性,研究人员经过反复的工艺摸索和大量的空间可靠性试验,最终才完全攻克这项关键技术难题。

  高精尖“配角”有望测雾霾

  碳卫星上除了搭载二氧化碳探测仪,还有另一件“利器”——多谱段云与气溶胶探测仪。这台探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息,为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素。多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”,但可能会带来许多意想不到的收获。

  据介绍,在碳卫星立项论证时,多谱段云与气溶胶探测仪只规划了四个光谱通道,但随着地面应用系统的不断论证,希望仪器能够增加探测通道。增加探测通道后,利用偏振信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特点,可以提取气溶胶光学厚度,然后利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点,经过大气订正,得到地表反射率,从而实现对气溶胶和地表反射率的同时反演。这样不仅可以获取到全球尺度气溶胶数据,还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

  研究人员表示,具体如何监测雾霾,要等碳卫星传送回第一份数据后再作分析判断。

  除了这些载荷发挥作用外,碳卫星最终要实现全球观测,还需要卫星平台实现灵活的观测模式。

  二氧化碳探测仪与卫星平台配合,通过主平面天底和耀斑两种主要观测模式,才能对全球陆地和海面路径上二氧化碳的吸收光谱进行精确测量。为保证在轨获取光谱数据的精度,载荷需要在轨进行对日、对月定标,这也需要卫星平台频繁调整姿态、翩翩起舞。

  (原载于《文汇报》 2016-12-23 05版)

(责任编辑:侯茜)
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