行业动态|这颗“碳卫星” 本事不一般

《测绘学报》

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地球老“发烧”，都是因为“碳”

在G20杭州峰会上，中国倡议二十国集团发表首份气候变化问题主席声明，率先签署《巴黎协定》，向全球作出庄严承诺。《巴黎协定》为什么宁可牺牲经济发展，也要设定温室气体减排的目标，这都是温室气体惹的祸，地球自人类工业革命之后在持续“发烧”。

地球大气的温度正在不断升高，其罪魁祸首被科学家锁定为以大气中二氧化碳为代表的气体，它们让太阳加热地球的短波辐射轻易进入，却将地球向外散热的长波辐射反射回地球，因此热量易进难出，就像栽培植物的温室一样。这种效应被形象地称为温室效应，二氧化碳等气体就被称为温室气体。

二氧化碳气体原本是自然界中的固有成分，地球形成时大气中就有二氧化碳了，为什么我们现在却对它“嫉恶如仇”，原因在于，工业革命以来，科学家研究发现大气中的二氧化碳一直在增加，且增加的值超过了40万年来的正常“波动”范围。

科学家们研究得出结论：在过去的50年中，因为人类社会经济的发展，每年化石燃料燃烧产生的300亿吨二氧化碳中大约有一半会留在大气层中，另外一半通常认为被海洋和植物吸收了，但是科学家并不能确定这些二氧化碳最后去了哪里、以什么样的形式消失、其中的具体机理又是怎样的？其实这些科学问题至今还悬而未决。

中国气象局遥感应用服务中心副主任张兴赢介绍，人类对二氧化碳了解有限，其中最主要的原因就是对大气中二氧化碳气体的变化规律掌握的还不够详尽。

从上个世纪60年代开始，各国就陆续在地面建设观测站，开展大气二氧化碳观测。其中最著名的就是美国夏威夷的观测站，从建立观测站至今，已经积累了半个多世纪的数据记录。美国夏威夷观测站从上世纪50年代就开始实际监测，20世纪后30年，每年二氧化碳增幅1%到2%。

但是二氧化碳是一种长寿的化学物质，会长时间停留在大气中，然后随着大气运动在全球传输扩散。可是至今，全球只有200多个温室气体观测站，这些有限的观测数据极大地限制了人类对二氧化碳的认知，进而限制了人类对碳排放和全球气候变化影响的科学认知。于是，2000年后，科学家们开始把目光投向了尖端的卫星探测技术，希望借助卫星“天眼”，可以全天候观测全球任何角落大气二氧化碳的浓度信息。

目前，全球已有两颗专门的二氧化碳探测卫星在天上运行。日本卫星GOSAT观测不够精细，最小只能探测到10公里范围内的大气二氧化碳平均值。美国卫星OCO-2空间分辨率提高到2公里左右，但是它只是一颗小卫星，上面只有一个观测二氧化碳的仪器，无法同时获取云和大气中气溶胶的信息，而这些信息是卫星探测二氧化碳非常重要的辅助观测信息。

张兴赢表示，我国这次发射的碳卫星上不仅搭载了一个和美国OCO-2类似的先进二氧化碳探测仪器，而且同时还搭载了一台先进的云和气溶胶的探测仪器。碳卫星的空间分辨率将超过美日卫星，达到1至2公里，也就是说两个相邻较大的小区排放二氧化碳的差别都可能被分辨出来。

这个“千里眼”，慧眼能识“碳”

从厚厚包裹着地球的大气层中，识别出哪些气体是二氧化碳，还要画出一张张“动态图”——碳卫星有着独门绝技。

绝技之一就是碳卫星有颗 “千里眼”，这颗“千里眼”就是碳卫星的主载荷——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。

用通俗的话说，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了不同程度吸收。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。

碳卫星项目要求大气中二氧化碳的浓度监测精度优于4ppm（百万分比浓度），即是说，当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时，“千里眼”就必须发现。对此郑玉权解释，碳卫星上安装的大面积衍射光栅，相当于在头发丝的宽度上划出200余条形状和直线度要求很高的刻线，只有采用如同细密梳子的精密元件，才能过滤出更为精细的色彩。

碳卫星发射升空后，可以看到它在天上不停旋转，好像翩翩起舞的舞者。为什么会这样，碳卫星首席应用科学家卢乃锰说，这就涉及到碳卫星复杂的观测模式。它可以斜着看、竖着看、盯着看。

具体来讲，斜着看，就是耀斑观测模式，利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据；竖着看即天底观测模式，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测；盯着看，就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测，完成既定任务。除此之外，碳卫星还要观测太阳和月亮，进行对日、对月定标。

卢乃锰说，这相当于只有一只眼睛的卫星需要不停转换角度来完成对不同方向的观测。所以卫星要不断地调整姿态，就像跳优美的华尔兹。

这种复杂和高难度的“跳舞”观测，让碳卫星能够得到更加有效的全球二氧化碳分布信息。

“日本的GOSAT（2009年发射的世界首颗温室气体观测卫星）的有效观测点只有300多个，我们在设计时加大了卫星的扫描宽度，增加了采样点，使得有效观测点比他们多了一个数量级。”卢乃锰说。

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“碳”并非我们的敌人

“碳”已经成为一个臭名昭著的词。2015年达成的《巴黎协定》要求在排放到大气中的二氧化碳与锁定在地层中的碳二者之间实现平衡。联合国发起的“气候中性行动项目”鼓励企业和个人到2050年主动测量、减少和抵消其排放的温室气体。美国建筑师学会已经向全球建筑界发出到2030年在建筑行业实现“碳中性”的挑战。碳中性城市联盟是一个国际性的构建可持续发展城市网络的机构，其设定的目标就是到2050年将城市的温室气体排放量削减80%。

“低碳”、“零碳”、“脱碳”、“负碳”、“碳中性”，甚至“碳战争”均成为热门词语。其思路就是，如果我们可以减少碳排放量，削减碳足迹，那么我们就可以将“碳”这个敌人打败。

但“碳”只是一种元素，并非人类的敌人。气候变化是人类打破碳循环引发的结果。人类活动产生的温室气体将碳以“错误的”含量、“错误的”滞留时长置于“错误的”位置。换言之，人类活动产生的二氧化碳过量，并且在大气中滞留的时间过长，这才导致整个碳循环过程失衡。如同饮用水中的铅含量超标或河流中的硝酸盐过量均是人类活动导致的一样，也正是人类自身使碳变得“有毒”。事实上，只要利用得当，碳元素其实是一种资源和工具。

二氧化碳是光合作用的“硬通货”（原料），是地球再生能力的源泉。土壤碳是维护生态系统健康和食物、水资源安全的保障者。碳原子是生命构造的基本材料，与许多工业高分子材料以及钻石、石墨等纯由碳元素构成的材料一样，羊毛、棉花和蚕丝也是碳化合物。

因此，有一种观点认为，人类应该用一种新的方式来与“碳”进行对话，不是对碳排放宣战，而是与“碳”的各种形态进行合作。

“碳”能被捕捉与储存

为了尽可能减少以二氧化碳为主的温室气体排放，减缓全球气候变化趋势，人类正在通过持续不断的研究以及国家间合作，从技术、经济、政策、法律等层面探寻长期有效的解决途径。近年来兴起的二氧化碳捕获与封存技术成为研究的热点和国际社会减少温室气体排放的重要策略。

所谓碳捕捉与储存，就是将化石燃料燃烧所产生的二氧化碳捕获，压缩之后，压回到枯竭的油田和天然气领域或者其他安全的地下场所进行封存。其吸引力在于能够减少燃烧化石燃料产生的有害气体——温室气体。

这一技术不仅可以减少燃烧化石燃料产生的有害气体——温室气体，还可以实现一定的商业价值。被捕获的碳可以用于石油开采，冶炼厂，甚至汽车业。二氧化碳可以变废为宝，将石油的采收率提高至40%到45%。还有可以用作植物气肥和果蔬保鲜剂。还可作为某些灭火器的原料，工业上可制纯碱、尿素、汽水等，二氧化碳的成品干冰可作制冷剂，保藏容易变坏的食物，还可用于人工降雨。另外在温室栽培中，常用二氧化碳作为肥料。

人类要促使二氧化碳减排，需要采取多种途径，从长远来看，将二氧化碳进行地质存储有望从可能变成现实，但前提是这一技术必须是安全的，在环保上要有持久性，其成本可以接受，并能够被广泛应用。 

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