全球變暖、溫室效應(yīng)、極端天氣、霧霾……“全球變暖正在破壞季節(jié)的自然格局，過去十年中，極端天氣的頻率和強(qiáng)度均顯著增加?！敝锌圃洪L(zhǎng)春光機(jī)所研究員鄭玉權(quán)告訴記者，氣候變化的主要因素是全球變暖，大氣中溫室氣體被認(rèn)為是全球變暖的罪魁禍?zhǔn)住?/div>
面對(duì)嚴(yán)峻的“氣候變化”形勢(shì)，減少二氧化碳等溫室氣體的排放已成為應(yīng)對(duì)“困局”的必然選擇。因此，
碳排放的量化監(jiān)測(cè)是全球
減排的重要基礎(chǔ)和保障。目前的所有碳排放量監(jiān)測(cè)手段中，只有星載高光譜溫室氣體探測(cè)技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣中少二氧化碳等溫室氣體濃度的高精度探測(cè)，又能夠獲取全球各區(qū)域氣體濃度分布數(shù)據(jù)。正因如此，各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛積極研發(fā)專用的、高精度溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星。
“但由于極高的技術(shù)難度，此前僅有兩顆衛(wèi)星從太空監(jiān)視地球溫室氣體排放：一顆是日本于2009年發(fā)射的包括二氧化碳、甲烷濃度觀測(cè)的衛(wèi)星GOSAT，一顆是美國(guó)于2014年發(fā)射的、專門用于大氣二氧化碳濃度測(cè)量衛(wèi)星OCO-2衛(wèi)星?！编嵱駲?quán)說。
全球二氧化碳監(jiān)測(cè)的“中國(guó)擔(dān)當(dāng)”
中國(guó)氣象局前局長(zhǎng)鄭國(guó)光指出：“近60年來，全國(guó)地表平均溫度升高1.38攝氏度，平均每10年升高0.23攝氏度，幾乎是全球平均升幅的兩倍”，換言之，全球變暖，中國(guó)尤甚。
在巴黎協(xié)定關(guān)于將全球平均氣溫的升溫保持在遠(yuǎn)低于2攝氏度的目標(biāo)道路上，世界各國(guó)正在快馬加鞭為這一目標(biāo)努力。大量的科學(xué)論證表明，若超過2攝氏度，地球上的生命將岌岌可危。
最新的國(guó)際政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第四次評(píng)估報(bào)告明確指出，由于人類活動(dòng)影響，大氣二氧化碳的濃度已經(jīng)由工業(yè)革命前的280ppm（ppm是英文parts permillion的縮寫，常用來表示氣體濃度或者溶液濃度）上升到今天的380ppm，二氧化碳濃度的顯著增加急劇加快了全球變暖的進(jìn)程。
正是在這樣的全球背景下，國(guó)家科技部-863計(jì)劃在十二五期間專門設(shè)置了“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱全球碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目），目標(biāo)是研制并發(fā)射一顆“以高光譜二氧化碳探測(cè)儀、多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀為主要載荷的高空間分辨率和高光譜分辨率全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星”，建立高光譜衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證系統(tǒng)，形成對(duì)全球、中國(guó)及其它重點(diǎn)地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)精度達(dá)到1-4ppm，使我國(guó)在高光譜大氣二氧化碳濃度觀測(cè)方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
我國(guó)“分辨率最高的光譜儀”
據(jù)介紹，碳衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大氣溫室氣體探測(cè)是基于大氣吸收池原理：二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特征大氣吸收光譜，對(duì)吸收光譜的強(qiáng)弱進(jìn)行嚴(yán)格定量測(cè)量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，借助一系列的模型計(jì)算，即可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時(shí)間通過單位面積的二氧化碳總量）。
鄭玉權(quán)介紹，要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛(wèi)星的主載荷——高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測(cè)儀。二氧化碳探測(cè)儀采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06?m、1.6?m、0.76?m 三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04nm，如此高的分辨率在國(guó)內(nèi)光譜儀器的研制上尚屬首次。
“一個(gè)好漢三個(gè)幫?！碧夹l(wèi)星另一臺(tái)載荷——多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀，可以測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確計(jì)算二氧化碳濃度剔除干擾因素。
如此高的分辨率如何實(shí)現(xiàn)？鄭玉權(quán)告訴記者，二氧化碳探測(cè)儀是通過一塊指向反射鏡對(duì)外部光線進(jìn)行收集，這塊指向鏡在設(shè)計(jì)時(shí)被巧妙的設(shè)計(jì)“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測(cè)時(shí)折射光線；一面漫反射面，在定標(biāo)時(shí)對(duì)準(zhǔn)太陽，形成漫反射光來定標(biāo)儀器精度?！扒擅钤O(shè)計(jì)的背后是加工制造難度的極大增加，一方面要保證鏡面和漫反射面時(shí)的高精度，另一方面要實(shí)現(xiàn)高度輕量化和高可靠性，研究人員經(jīng)過反復(fù)工藝摸索和大量的空間可靠性試驗(yàn)才最終完成突破這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?！?/div>
另外，二氧化碳探測(cè)儀使用核心分光元件是大面積全息光柵，這種光柵需要極高的衍射效率和面型精度要求，同時(shí)要能夠適應(yīng)苛刻的太空環(huán)境要求。鄭玉權(quán)表示，為突破這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，科研人員從最基礎(chǔ)的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)攻克技術(shù)難點(diǎn)，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(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。
“配角”不簡(jiǎn)單，可助提高天氣預(yù)告準(zhǔn)確性
碳衛(wèi)星上的另一個(gè)載荷——多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀雖然不是‘主角’，但千萬別小看它，它可能給我們帶來很多意想不到的收獲。
多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀負(fù)責(zé)人、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研究員顏昌翔介紹，多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀可以利用偏振信號(hào)對(duì)氣溶膠敏感而對(duì)地表不敏感的特點(diǎn)，提取氣溶膠光學(xué)厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標(biāo)量信號(hào)對(duì)地表敏感的特點(diǎn)，經(jīng)過大氣訂正，得到地表反射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠和地表反射率的同時(shí)反演。
“這樣不僅可以獲取的全球尺度氣溶膠數(shù)據(jù)，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐?！鳖伈枵f。
據(jù)了解，碳衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行后，科學(xué)數(shù)據(jù)將依托風(fēng)云系列地面接收站資源完成數(shù)據(jù)下傳。據(jù)了解，這些數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過大氣物理學(xué)家進(jìn)行高精度的全球二氧化碳分布反演計(jì)算，才能最終成為全球二氧化碳觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并共享發(fā)布。
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