全球“嗅碳”卫星三足鼎立

    2016年最后几天,传来一个消息,我国成功发射全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称“碳卫星”)。这是我国首颗专门用于监测大气中二氧化碳含量的“嗅碳”卫星,刚刚“降生”的这颗卫星在全球“嗅碳”大家族排名老三,在这之前还有日本“呼吸”号(GOSAT)和美国“轨道碳观测者2号”(OCO-2)。

    为何要发射“嗅碳”卫星?

    日本、美国和中国陆续研制“碳卫星”,这不禁让人感到好奇,为何要通过卫星来追踪二氧化碳?要知道人类目前每年因使用矿物燃料向地球大气中排放的二氧化碳超过300亿吨,生物燃料、森林火灾以及农业焚烧等行为每年共排放二氧化碳达55亿吨。过去50年来,人类活动导致的二氧化碳排放已使大气中的二氧化碳水平升高了近20%。科学界认为,人类活动使自然界的碳循环失衡,以二氧化碳为主的温室气体是导致全球气候变暖的主要因素。因此,全球二氧化碳排放急需更精确的监测研究。

    自然资源保护委员会气候能源高级顾问杨富强对此表示,目前人类对二氧化碳掌握的知识体系还不健全,还有许多疑问待解决,例如,二氧化碳集聚在哪个区域、哪个大气层及其在大气中的运动和分布规律;温度怎样影响二氧化碳运动;自然界天然排放的二氧化碳所占比例是多少,这一比例如何变化以及海洋系统如何吸附二氧化碳;在地球工程学领域的可能性,比如利用海洋肥沃化以去除大气中的二氧化碳是否具有可能,这些都能够由碳卫星的数据进一步证实。这样一来,即便不能窥一斑而见全豹,但随着二氧化碳数据的持续更新积累,我们的知识体系也将更将完善,从而能更科学精准有效地缓解二氧化碳对全球变暖的影响。

    所以,通过“嗅碳”卫星来掌握二氧化碳在各地区的循环和分布情况是研究气候变化是一条捷径。

    “嗅碳”家族三成员

    “嗅碳”系列作为人造地球卫星中专门用于测量地球二氧化碳浓度的卫星,测量标准不断精细化。不过,由于技术难度极高,目前世界上仅有3颗“嗅碳”卫星在太空中工作,分别是观测大气中二氧化碳和甲烷等浓度的日本“呼吸”号、专门测量大气中二氧化碳浓度的美国“轨道碳观测者2号”以及我国新发射的首颗碳卫星。

    我国研制的这颗碳卫星,搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理,是在可见光和近红外谱段,利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。简单来说,就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。因为太阳光经过空气时,二氧化碳分子对许多精细的颜色有了不同程度吸收,碳卫星通过精细测量其光谱吸收线,进而可以通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测量,从而能反向推算出二氧化碳分子数量,最终得知大气中的二氧化碳浓度。

    当然,除了我国这颗“后起之秀”,这个卫星家族还有另外两位成员。

    世界首颗温室气体观测卫星——日本“呼吸”号就是其中一员,它在2009年1月23日发射升空,配备高精度的传感器观测地球上二氧化碳等温室气体的浓度。“呼吸”号一边以约100分钟一周的速度绕地球运行,一边运用搭载的高精度温室气体监测传感器对全球约5.6万个观测点实施观测,每3天就可以收集到全部观测点的最新数据。

    日本宇宙航空研究开发机构表示,在“呼吸”号发射之前,用于监测二氧化碳浓度分布的地面观测点数量有限,且分布不均;“呼吸”号投入工作后,科研人员得以把来自太空的全球监测数据、地面数据和模型结合,从而精确监测二氧化碳浓度分布。不仅如此,“呼吸”号还帮助人类进一步了解地球生态系统究竟能吸收和释放多少二氧化碳。

    相比于日本的一鸣惊人,美国的“嗅碳”卫星研究之路则显得略微曲折。2009年2月,美国跃跃欲试,尝试发射首颗“嗅碳”卫星,但在发射升空过程中运载火箭发生故障坠毁在南极附近海域。一时舆论兴起。

    在查清原因后,美国航天局在2014年7月2日,美国第一颗“嗅碳”卫星——“轨道碳观测者2号”发射升空,主要使命是监测研究地球大气中的二氧化碳水平。美国航天局表示这颗卫星可以提供迄今最详细的关于二氧化碳自然来源和地球表面从大气中吸收二氧化碳的信息,并研究它们在全球的分布情况以及未来变化趋势。其中的“秘密武器”是3台高分辨率光谱仪,科学家可以通过这些仪器估算大气中二氧化碳等物质的相对浓度,以实现对地球大气二氧化碳水平更精确、全面的测算,并更准确地预测气候变化。而后科研人员把所获数据与通过地面观察站、飞机以及其他卫星所获数据结合分析,将新数据引入计算机模型,以了解人类活动和自然界排放二氧化碳、以及自然界吸收二氧化碳的更完整信息。

    我国的碳卫星诞生,如今“嗅碳”家族又添一员大将,必将助力于缓解温室气体对气候变化的影响。

    碳卫星数据能干啥?

    不少人质疑通过碳卫星所得的数据都并非是可以直接可用的数据,需要地面的气象专家反演计算才能成为可用的观测数据,鉴于目前地面已经存在部分的二氧化碳监测站,这样的过程是否耗时耗力?实则不然。首先,全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个,且只局限于观测部分地区,不足以全面了解全国和全球的整体二氧化碳浓度等数据,也难以满足监测需求。而通过卫星俯瞰绘制出的二氧化碳分布图则不同,覆盖的范围和视角将会更广更全面。此外,杨富强认为,通过“嗅碳”卫星得来的数据还可以用于现存数据模型和推算方式的修正,“嗅碳”卫星测量精度可达到百万分之一,更精准的数据将会对数据模型和推演公式要求更高更严谨。

    碳卫星技术的运用将会惠及多个领域。除了了解地球大气中的二氧化碳体系知识,与另两颗“嗅碳”卫星一起获取更全的二氧化碳数据信息,也可以用于生产生活的实际检测中。对此,杨富强认为,碳卫星也可以运用到明年的碳市场全面开放中。不仅可以对各个地区或者单位内的碳排放数据与实际的监测结果进行比较,碳卫星所绘制的分布图也可以实时监测像煤电厂这样的“排放大户”,从而规范他们的行为,用精准的数据将奖惩具体化,从而促进全国碳市场的不断发展和健全。

    总的来说,我国这颗碳卫星的成功研制和后续在轨稳定运行,将使我国初步形成针对本地区、全球及其他重点地区的大气二氧化碳浓度监测能力,填补了我国在温室气体检测方面的技术空白,其成果将对我国掌握全球变暖的变化规律和全球碳排放分布、提高我国在应对全球气候变化的国际话语权等方面具有重要意义。

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( 网站编辑:钱坤 )
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