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搭載我國首顆二氧化碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星 這些科學(xué)儀器厲害了
2017-01-16
導(dǎo)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(cè)二氧化碳濃度。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會(huì)呈現(xiàn)光譜吸收特性，通過碳衛(wèi)星對(duì)二氧化碳光譜吸收線的精細(xì)測(cè)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(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(fù)雜觀測(cè)模式的民用衛(wèi)星，它通過5種觀測(cè)模式的組合，完成對(duì)全球二氧化碳的探測(cè)，衛(wèi)星裝載的高光譜二氧化碳探測(cè)儀有2000多個(gè)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(yīng)用科學(xué)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(cè)二氧化碳濃度。“大氣在太陽光照射下，二氧化碳分子會(huì)呈現(xiàn)光譜吸收特性，通過碳衛(wèi)星對(duì)二氧化碳光譜吸收線的精細(xì)測(cè)量，就可以反演出大氣二氧化碳的濃度。”盧乃錳說。
反演驗(yàn)證系統(tǒng)是獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)后計(jì)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(fù)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(jì)算出衛(wèi)星應(yīng)該觀測(cè)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(jī)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(shè)計(jì)全新的反演驗(yàn)證系統(tǒng)。我們集中國內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合攻關(guān)，終于啃下了這塊硬骨頭，填補(bǔ)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(xiàng)目后期還追加了航空遙感實(shí)驗(yàn)和地面觀測(cè)反演。前者就是把二氧化碳探測(cè)儀放在飛機(jī)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(yàn)，確保碳衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)后及時(shí)開展應(yīng)用。
會(huì)跳華爾茲會(huì)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(cè)對(duì)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(fù)雜的觀測(cè)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(cè)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(cè)模式，利用地面的漫反射特性開展地面二氧化碳的觀測(cè);盯著看，就是衛(wèi)星在飛行過程中，始終瞄準(zhǔn)一個(gè)特定目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，完成既定任務(wù)。除此之外，碳衛(wèi)星還要觀測(cè)太陽和月亮，進(jìn)行對(duì)日、對(duì)月定標(biāo)。
盧乃錳說，這相當(dāng)于只有一只眼睛的衛(wèi)星需要不停轉(zhuǎn)換角度來完成對(duì)不同方向的觀測(cè)。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(fù)雜和高難度的“跳舞”觀測(cè)，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(cè)點(diǎn)只有300多個(gè)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)加大了衛(wèi)星的掃描寬度，增加了采樣點(diǎn)，使得有效觀測(cè)點(diǎn)比他們多了一個(gè)數(shù)量級(jí)。”盧乃錳說。
搭載二氧化碳和氣溶膠兩個(gè)探測(cè)儀
除了模塊化衛(wèi)星平臺(tái)，高標(biāo)準(zhǔn)的載荷設(shè)計(jì)也是碳衛(wèi)星研制的一大難點(diǎn)。碳衛(wèi)星搭載了兩個(gè)遙感儀器。一個(gè)是高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀，另一個(gè)是多頻段云與氣溶膠探測(cè)儀。
“幾十納米的帶寬在肉眼看來就一個(gè)顏色，要在這上面布置2000多個(gè)通道，也就是要再精細(xì)分辨出2000多種顏色，這對(duì)光學(xué)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(xiàng)目要求大氣中二氧化碳的濃度監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于4ppm，也即是說，當(dāng)大氣中二氧化碳含量變化超過百萬分之四時(shí)，碳載荷就必須發(fā)現(xiàn)。為此，中科院長春光機(jī)所制造出200×200毫米的大面積光柵，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域國內(nèi)技術(shù)空白。
將會(huì)形成全球碳排放報(bào)告
我國的碳衛(wèi)星大氣二氧化碳反演精度可達(dá)到1-4ppm，比日本GOSAT監(jiān)測(cè)精度高，與美國OCO-2相當(dāng)。
在發(fā)射成功并經(jīng)過半年的在軌測(cè)試后，碳衛(wèi)星將正式投入運(yùn)行，16天完成一個(gè)回歸周期，每兩到三個(gè)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(huì)形成不同地區(qū)碳排放報(bào)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(yù)處理，包括衛(wèi)星定位、光譜定標(biāo)、輻射定標(biāo)等工作;第二是此前強(qiáng)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(wù)星的計(jì)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(yīng)用到很多碳監(jiān)測(cè)的技術(shù)中，諸如風(fēng)云氣象衛(wèi)星等國家空間對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上，也都已經(jīng)或正在考慮裝載二氧化碳觀測(cè)儀器。只是國家863計(jì)劃走在了前面。
“ 科技部特別強(qiáng)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(shí)對(duì)外發(fā)布。碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)將加載到國家綜合地球觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，除向國內(nèi)各類用戶提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)外，還將通過全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)年度報(bào)告發(fā)布專題報(bào)告。在國際合作方面，將向地球觀測(cè)組織共享，作為中國對(duì)GEO的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn);通過中歐‘龍計(jì)劃’合作將與歐空局開展深度研究。”李加洪透露，前段時(shí)間，NASA主動(dòng)提出合作， 隨著中國、歐洲碳衛(wèi)星的跟進(jìn)，希望以后形成多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)外開放、數(shù)據(jù)共享。
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