深刻解读碳卫星

文章作者:lili | 2016-12-16
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今天看天气预报,播音员花了一分钟的时间专门用于介绍北方某些城市是雾霾情况,并介绍说,雾霾在未来几天会越发严重,直到下周三冷空气下来才会令雾霾有所缓解。随着我国风云四号气象卫星的发射。我们对天气的把握又有了提升,而环保和气候越来越受到关注。而美日已经发射了专门监测二氧化碳排放情况的碳卫星。中国将继他们之后发射自己的碳卫星。本站在本篇文章将详细解释碳卫星,并就我国发射碳卫星对于未来环境的深远意义展开详细报道。

  全球变暖、温室效应、极端天气、雾霾……每一个词都如一把重锤,不时地敲打人类脆弱的文明。从未有任何一个问题,如“气候变化”一样,牵动到世界上每一个人、甚至每一种生命。

  面对严峻的“气候变化”形势,减少二氧化碳等温室气体的排放已成为应对“困局”的必然选择,而提到温室气体的减排,碳排放的量化监测是各国重要的技术基础和保障。

  目前的所有碳排放量监测手段中,只有星载高光谱温室气体探测技术既能够实现对大气中CO2等温室气体浓度的高精度探测,又能够获取全球各区域气体浓度分布数据。

  正因如此,各发达国家纷纷积极研发专用的、高精度温室气体观测卫星。但由于极高的技术难度,目前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放:一颗是日本于2009年发射的包括CO2、CH4浓度观测的卫星GOSAT,一颗是美国于2014年发射的、专门用于大气CO2浓度测量卫星OCO-2卫星。

美国OCO-2卫星

美国OCO-2卫星

  现在,经过近6年的攻关研制,我国首颗CO2观测科学实验卫星TANSAT也即将于2016年末发射,对人类碳排放一探究竟!

阿拉斯加冰川过去30年消融的景象

阿拉斯加冰川过去30年消融的景象

  气候变化——“更热、更旱、更涝的未来”?

  谈到气候变化,人们不难联想到一个词语——“极端天气”。

  2015年是极端天气多发的一年:五月份,西班牙的巴伦西亚和兰萨罗特温度达到了46.2摄氏度,高出历史纪录6摄氏度;七月份,埃及卢克索的温度高达47.6摄氏度;十月份,南非的弗雷登达尔则达到48.4摄氏度!高温导致的干旱愈演愈烈,阿拉斯加、印度尼西亚出现破纪录的持续野火,印度西南季风的降雨量也低于常值。

  高温不仅带来干旱,增温的大气同时也获得了更多的含水量,一月份,马拉维爆发了有史以来的最大洪水,印度金奈、北爱尔兰、巴基斯坦也均打破了24小时降雨量的记录……

  面对这一系列极端天气现象,甚至于2016年世界气象日的主题也被定为“直面更热、更旱、更涝的未来”!

  气候变化的主要因素是全球变暖,其正在破坏季节的自然格局,过去十年中,极端天气的频率和强度均显著增加。

  现在我们把视角从全球转到中国,从14年到16年,中国南方的频繁暴雨让“看海”的乐观主义迅速被严肃的救灾报道冲淡,触目惊心的城市内涝画面引发了广泛的重视与担忧,以往难以感知的气候变化(全球变暖、冰川融化)以暴雨的形式与雾霾一同站在前台。

  中国气象局前局长郑国光指出:“近60年来,全国地表平均温度升高1.38摄氏度,平均每10年升高0.23摄氏度,几乎是全球平均升幅的两倍”,换言之,全球变暖,中国尤甚。

  在巴黎协定关于将全球平均气温的升温保持在远低于2摄氏度的目标道路上,世界各国正在快马加鞭为这一目标努力。大量的科学论证表明,若超过2摄氏度,地球上的生命将岌岌可危,然而,关于地球升温的科学数据预测则显得触目惊心。

全球平均地表温度的模型预测

全球平均地表温度的模型预测

  谁是“罪魁祸首”

  大气中温室气体被认为是全球变暖的罪魁祸首。

  事实上,地球大气犹如把热腾腾的饭盒用塑料袋扎紧,将太阳送到地球的热量吸收并缓慢释放,即“温室效应”。在过去的几百亿年中,“温室效应”使地球温度适宜升高以孕育生命。

温室气体的影响

温室气体的影响

  然而自工业革命以来,人类向大气中排入的温室气体逐年显著增加,大气的温室效应也随之增强,诸如森林砍伐、矿物燃烧等人类活动正迅速打破原有的温度平衡,放大了大气的保温效应。这正是造成全球气温升高、极端天气频现的关键。

  温室气体中CO2的体量相对较大,是最为重要的一种温室气体。科学家们采集了南极Dome C区域的冰芯,通过测量冰芯中水同位素含量和气泡内封存气体的浓度,得出了在过去的80万年间,南极温度与大气中CO2浓度正相关的结论。

  在过去的80万年,CO2的大气含量与南极温度正相关(摘自Climate Change Evidence & Causes)

  最新的国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告明确指出,由于人类活动影响,大气CO2的浓度已经由工业革命前的280ppm(ppm是英文parts permillion的缩写,常用来表示气体浓度或者溶液浓度)上升到今天的380ppm,CO2浓度的显著增加急剧加快了全球变暖的进程。

在过去的1千年,CO2的大气含量自18世纪工业革命开始显著上升(摘自Climate Change Evidence & Causes)

  在过去的1千年,CO2的大气含量自18世纪工业革命开始显著上升(摘自Climate Change Evidence & Causes)

  正是在这样的全球背景下,国家科技部-863计划在十二五期间专门设置了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目(简称全球碳监测卫星项目),目标是研制并发射一颗“以高光谱CO2探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学试验卫星”,建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统,形成对全球、中国及其它重点地区大气CO2浓度监测能力,监测精度达到1-4ppm,使我国在高光谱大气CO2浓度观测方面达到国际先进水平。

  项目中提到的这颗高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学试验卫星,正是我们今天文章开头介绍的即将发射的TANSAT卫星,这颗碳卫星的发射,体现了中国在气候变化问题上的积极担当。

  关于这颗碳卫星及载荷,科学大院稍后进行深入解读。

按照设计,在未来几年,它将在太空巡游,通过不断变换观测模式,完成对全球二氧化碳的监测,并借助模式同化技术,最终形成全球碳排放情况的“体检报告”。

其实,早在2010年,中国就开始部署并紧锣密鼓地对碳卫星项目进行论证,并于2011年启动实施863计划“十二五”重大项目“全球二氧化碳监测科学试验卫星与应用示范”。

中国为什么这么需要一颗碳卫星?布局这步棋将对全球气候变化的监测和分析起到什么作用?

摸清二氧化碳的来去“踪迹”

气候变化一直是全世界关注的热词。但是,国际上对影响全球气候变化关键因子的连续监测和分析仍很薄弱,尚未形成完备的基础数据。

“从人类有限的对大气二氧化碳的地面直观观测史来看,150年来,大气中的二氧化碳的浓度已经从280ppm上升到400ppm。这导致过去100年全球平均气温上升了约0.7摄氏度,由此导致灾害性天气频发、强度加大。”碳卫星首席应用科学家卢乃锰告诉科技日报记者,目前主流观点认为,如果温度继续上升,即使此后将二氧化碳浓度减小,地球也会发生不可逆的变化。

那么,问题来了:采集大气中二氧化碳浓度的相关数据,全球地面都设有观测点,为什么要发卫星?“其实地面观测的绝对精度要比卫星观测精度高,但地基观测不能解决全球大气碳含量的空间分布问题,更不能监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量。”卢乃锰介绍,2010年左右,全球的二氧化碳地面观测站点仅有200多个,难以满足监测需求。

当今碳循环科学面临的最大问题,就是在全球和区域尺度上无法准确获取二氧化碳通量(单位时间内通过单位面积的二氧化碳总量)信息。所以,需要通过空间观测手段,完成对全球和区域范围内二氧化碳的测量,以提高人类对全球碳循环过程的理论认识,进而改进气候变化预测结果的可信度和稳定性。

一个好汉三个帮,碳卫星又来了“中国造”

正是基于上述认识,2009年,日本发射了世界首颗温室气体观测卫星(GOSAT)。同年,美国的碳卫星(OCO-1)首次发射失败,后于2014年再次发射其替代者OCO-2。

已有美日两颗碳卫星在前,中国是否还有必要自立门户?卢乃锰用我国气象卫星的发展历程来回应这一疑问:“当初中国一穷二白,在我们发射气象卫星遭遇挫折的时候,很多人说,既然可以免费用日本的卫星数据,就不要发射自己的气象卫星了,但从长远角度看,作为一个大国,不能依赖国外,必须克服困难,坚定地走自主发展的道路,这样才形成如今在气象卫星领域美国、欧洲和中国三足鼎力的局面。”

在二氧化碳监测问题上,更为现实和迫切的需求是,中国必须拥有自主数据才能在全球气候谈判中掌握主动权。持家得先有账。国家遥感中心总工程师李加洪接受科技日报独家专访时说,中国政府研制并发射碳卫星,对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测,进而给出全球碳分布数据,不仅是中国应对全球气候变化采取的积极行动,而且也体现了负责任大国的担当。

同时,在李加洪看来,“做全球二氧化碳监测仅仅一两颗卫星是不够的,我国是第三颗,欧洲也将碳卫星列入计划。我们希望通过这颗卫星和其他几个国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’,联合观测大气二氧化碳,为全球气候变化提供更加丰富的监测数据”。

研制:从心里没底到“跳起脚能够得着”

李加洪回忆,早在2009年,根据863计划地球观测与导航领域办公室的部署,国家遥感中心就在思考“十二五”的布局,对包括日本GOSAT卫星发射和美国发射失败的OCO-1等都非常关注,并专门咨询童庆禧院士:“中国该不该搞自己的碳卫星?”得到的是坚定的肯定回答:“从战略层面必须做。”

“863地球观测与导航领域专家组在前期领域战略研究工作的基础上,考虑‘十二五’部署哪些项目时,大家对发射碳卫星这件事已达成共识,问题是我们能否做得了和怎么做。”卢乃锰回忆。

碳监测卫星是我国的空白,对于我国科研人员来说是一种全新的挑战,只能摸着石头过河。“我们刚开始也是两眼一抹黑。这类卫星对于光学仪器的要求非常高,我们在元器件等各方面是否能满足需求?”卢乃锰说,没有人敢打包票,“在走访了全国十多个相关单位后,大家心里有点底了。”

中国碳卫星还加载了真正意义上的云与气溶胶监测仪。李加洪解释:“利用它能排除云和空气中气溶胶的影响,也就是解决对二氧化碳监测的‘噪音’干扰问题。”

具体到指标设计,卢乃锰说,“我们在反复权衡功能、精度和工艺水平后,确定了合适的配置方案”。最终,在“跳起脚能够得着”的宗旨下,中国的碳卫星不仅实现了各项设计指标,还极大地带动了我国多项相关技术的突破。

“863计划+航天工程”管理的完美联姻

“碳卫星由863计划立项,前期主要按照863项目管理,但后期工程主要以航天工程模式进行管理。”参与863计划全过程管理的李加洪介绍,中科院负责碳卫星工程的组织实施,中国气象局负责地面应用系统。该工程按照航天工程管理模式,专门成立了卫星工程总师和总指挥两总管理体系,通过工程“两总”体系,使得863项目管理和航天工程管理之间得到了有机结合,实际也实现了国家科技计划中工程性项目的管理创新。

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