搭載我國首顆二氧化碳監(jiān)測衛(wèi)星 這些科學儀器厲害了
2017-01-16
導讀：與以往的氣象衛(wèi)星不同，碳衛(wèi)星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。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現(xiàn)光譜吸收特性，通過碳衛(wèi)星對二氧化碳光譜吸收線的精細測量，就可以反演出大氣二氧化碳的濃度。”
我國首顆二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星即將發(fā)射升空，它將用慧眼一探全球二氧化碳變化的秘密。
“我國還沒有這么復雜觀測模式的民用衛(wèi)星，它通過5種觀測模式的組合，完成對全球二氧化碳的探測，衛(wèi)星裝載的高光譜二氧化碳探測儀有2000多個通道，光譜解析度極高，衛(wèi)星研制難度極大。”碳衛(wèi)星首席應用科學家盧乃錳告訴記者。
利用光譜吸收特性一探究竟
與以往的氣象衛(wèi)星不同，碳衛(wèi)星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。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會呈現(xiàn)光譜吸收特性，通過碳衛(wèi)星對二氧化碳光譜吸收線的精細測量，就可以反演出大氣二氧化碳的濃度。”盧乃錳說。
反演驗證系統(tǒng)是獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)后計算出二氧化碳和氣溶膠分布狀況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是盧乃錳在采訪中反復提及的技術(shù)關(guān)鍵。通俗來講，太陽的光譜是確定的，如果已知二氧化碳濃度等大氣狀況，根據(jù)模型，計算出衛(wèi)星應該觀測到的光譜，是正演;而根據(jù)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)，由模型反算出二氧化碳濃度，就是反演。
“以往氣象衛(wèi)星所涉及到的反演問題，大多集中在紅外和微波譜段，而碳衛(wèi)星所涉及到的是可見光和近紅外譜段的反演問題，機理不同，難度加大。這需要考慮云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素的影響，重新設計全新的反演驗證系統(tǒng)。我們集中國內(nèi)優(yōu)勢單位聯(lián)合攻關(guān)，終于啃下了這塊硬骨頭，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。”盧乃錳說。
國家遙感中心總工程師李加洪介紹，該項目后期還追加了航空遙感實驗和地面觀測反演。前者就是把二氧化碳探測儀放在飛機上先采集數(shù)據(jù)，讓研究者在碳衛(wèi)星發(fā)射前就能熟悉相關(guān)數(shù)據(jù)處理和反演方法，積累經(jīng)驗，確保碳衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)后及時開展應用。
會跳華爾茲會翻筋斗，還能斜看豎看盯著看
盧乃錳給記者展示了一段碳衛(wèi)星工作的模擬視頻。“大家看到衛(wèi)星在天上翩翩起舞，覺得很美，但搞衛(wèi)星的人通常一聽到這種需求就心驚肉跳，萬一轉(zhuǎn)過去轉(zhuǎn)不回來了，怎么辦呢?”他說，這種敏捷觀測對衛(wèi)星技術(shù)要求極高。
這顆衛(wèi)星為什么需要不停旋轉(zhuǎn)?這就涉及到其復雜的觀測模式。碳衛(wèi)星可以斜著看、豎著看、盯著看。斜著看，就是耀斑觀測模式，利用太陽在海面的鏡面反射提高信噪比，獲取海面上空的二氧化碳數(shù)據(jù);豎著看即天底觀測模式，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測;盯著看，就是衛(wèi)星在飛行過程中，始終瞄準一個特定目標進行觀測，完成既定任務。除此之外，碳衛(wèi)星還要觀測太陽和月亮，進行對日、對月定標。
盧乃錳說，這相當于只有一只眼睛的衛(wèi)星需要不停轉(zhuǎn)換角度來完成對不同方向的觀測。所以衛(wèi)星要不斷地調(diào)整姿態(tài)，就像跳優(yōu)美的華爾茲。
這種復雜和高難度的“跳舞”觀測，讓碳衛(wèi)星能夠得到更加有效的全球二氧化碳分布信息。“日本的GOSAT的有效觀測點只有300多個，我們在設計時加大了衛(wèi)星的掃描寬度，增加了采樣點，使得有效觀測點比他們多了一個數(shù)量級。”盧乃錳說。
搭載二氧化碳和氣溶膠兩個探測儀
除了模塊化衛(wèi)星平臺，高標準的載荷設計也是碳衛(wèi)星研制的一大難點。碳衛(wèi)星搭載了兩個遙感儀器。一個是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀，另一個是多頻段云與氣溶膠探測儀。
“幾十納米的帶寬在肉眼看來就一個顏色，要在這上面布置2000多個通道，也就是要再精細分辨出2000多種顏色，這對光學儀器的材料和工藝來說是非常大的挑戰(zhàn)。”盧乃錳說。
碳衛(wèi)星項目要求大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測精度優(yōu)于4ppm，也即是說，當大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時，碳載荷就必須發(fā)現(xiàn)。為此，中科院長春光機所制造出200×200毫米的大面積光柵，填補了這一領(lǐng)域國內(nèi)技術(shù)空白。
將會形成全球碳排放報告
我國的碳衛(wèi)星大氣二氧化碳反演精度可達到1-4ppm，比日本GOSAT監(jiān)測精度高，與美國OCO-2相當。
在發(fā)射成功并經(jīng)過半年的在軌測試后，碳衛(wèi)星將正式投入運行，16天完成一個回歸周期，每兩到三個月，完成一次全球有效覆蓋。碳衛(wèi)星獲取的信息經(jīng)過解析和處理，就會形成不同地區(qū)碳排放報告。
“要用好這顆星需做好四件事。”盧乃錳說，第一是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的預處理，包括衛(wèi)星定位、光譜定標、輻射定標等工作;第二是此前強調(diào)的數(shù)據(jù)反演;第三是模式同化技術(shù);第四是數(shù)據(jù)共享。
在這顆碳衛(wèi)星基礎(chǔ)上是否有安排后續(xù)業(yè)務星的計劃?盧乃錳說，雖然這顆星還沒有發(fā)射，但它的部分成果已經(jīng)應用到很多碳監(jiān)測的技術(shù)中，諸如風云氣象衛(wèi)星等國家空間對地觀測衛(wèi)星上，也都已經(jīng)或正在考慮裝載二氧化碳觀測儀器。只是國家863計劃走在了前面。
“ 科技部特別強調(diào)碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)向國內(nèi)外共享，目前已經(jīng)制定了數(shù)據(jù)管理辦法，將適時對外發(fā)布。碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)將加載到國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺，除向國內(nèi)各類用戶提供數(shù)據(jù)共享服務外，還將通過全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測年度報告發(fā)布專題報告。在國際合作方面，將向地球觀測組織共享，作為中國對GEO的實質(zhì)貢獻;通過中歐‘龍計劃’合作將與歐空局開展深度研究。”李加洪透露，前段時間，NASA主動提出合作， 隨著中國、歐洲碳衛(wèi)星的跟進，希望以后形成多衛(wèi)星聯(lián)合觀測，進一步實現(xiàn)對外開放、數(shù)據(jù)共享。
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