零碳科普 | 什么是碳卫星？碳卫星如何监测全球CO2浓度？

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》

撰文 | 桂林

什么是碳卫星？

碳卫星如何监测全球CO2浓度？

碳卫星的观测成果有哪些?

什么是碳卫星

碳卫星全称“全球二氧化碳监测科学实验卫星”，我国于2016年12月22日发射首颗二氧化碳观测科学实验卫星TanSat，成为全球第3个可提供碳卫星数据的国家。本次发射的碳卫星旨在应对全球气候变化、监测全球二氧化碳浓度分布情况。

碳卫星如何监测全球CO2浓度？

碳卫星运用大气二氧化碳浓度测量法监测全球CO2浓度，依赖于观测和模拟的同时进行。在观测方面，卫星遥感由于特殊的观测地点和方式，可以在二氧化碳全球观测中发挥较大作用，特别是在全球覆盖高分辨率的观测上，能够做到看得广、看得清；而模拟则主要是通过大气输送模型，利用高性能计算机，模拟出大气二氧化碳传输过程和每一个时刻、每一个地方大气二氧化碳的含量，并与卫星观测协调一致，得到一个最接近真实的碳通量数值。

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”——碳卫星需要安上特制的“千里眼”。

TanSat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。

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。

长春光机所助理研究员蔺超说，长春光机所为此制造了大面积衍射光栅，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，“这样的精密元件，如同细密梳子，才能过滤出更为精细的色彩”。

图说：中国碳卫星首幅全球二氧化碳分布图

来源：图片来源于网络

地面观测点也能搜集大气中的二氧化碳数据，为什么还要发射卫星？碳卫星工程地面应用系统总设计师杨忠东说，全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个，难以满足监测需求，只有用卫星俯瞰，才能绘制二氧化碳分布的全景图。利用大气浓度测量进而计算碳排放和碳吸收的方法，优势在于“看得广、看得清”，与侧重“看得准、看得全”的地面观测形成有效互补。

碳卫星的观测成果有哪些?

1) 观测数据

碳卫星每天绕地球飞行约14圈，探测宽度20千米。在绕地球两极运行的过程中获取全球二氧化碳浓度信息，以准确展示人类活动与自然体系是如何排放和吸收这种温室气体的。

图说：碳卫星获取的首批观测数据

来源：图片来源于网络

2) 全球二氧化碳分布图

碳卫星的观测数据供中科院大气所承担中国碳卫星二氧化碳浓度反演算法研发、碳源汇同化系统研发和卫星数据的科学应用等工作。其中卫星遥感大气二氧化碳的主要挑战是精度要求高，干扰因素多，反演难度大。在国家高技术研究发展计划（863）“中国碳卫星”和中科院战略性科技先导专项“碳专项”等的资助下，大气所团队核心成员、博士杨东旭研发了卫星遥感反演算法。

利用该反演算法解析中国碳卫星观测数据，获得了首幅全球二氧化碳分布图。可以看出春季由于人为排放形成的北半球二氧化碳浓度高、南半球浓度低的特征；对比2017年4月和2017年7月分布图，清晰地显示出由春入夏北半球二氧化碳浓度降低的趋势，表明了生态系统随季节变化的“固碳”作用；分布图也反映出人类活动频繁地区二氧化碳浓度高的现象。

3) 数据产品

中国碳卫星数据开放，社会公众用户登录国家卫星气象中心网站后，可检索下载包括碳卫星的两个核心仪器数据，即碳卫星高光谱温室气体探测仪（HSCO2）云和气溶胶探测仪（CAPI）两台仪器的1级数据。

4) 全球碳通量数据集

2021年8月15日，中国科学院大气物理研究所介绍，基于中国第一颗全球二氧化碳监测科学实验卫星中国碳卫星的大气二氧化碳含量观测数据，来自该所等单位的研究人员利用先进的碳通量计算系统，获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。

“全球盘点有助于了解二氧化碳减排、增汇等行动对气候变化趋势的影响，卫星遥感将在全球统一、无偏差的碳收支核算中发挥重大作用。” 中国科学院大气物理研究所刘毅说。

中国的碳卫星是继日本和美国之后的第三颗全球“嗅碳”卫星，它的成功研制和后续在轨稳定运行，将填补我国在温室气体检测方面的技术空白，其成果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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参考资料：

[1]百度百科

[2]新华网 | "千里眼"如何"看"二氧化碳?——详解我国首颗碳卫星

[3]新华网 | 我国碳卫星公布全球碳通量数据集助力盘点各地碳收支

END