12月22日3時22分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星（簡稱“碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。據了解，這顆碳衛(wèi)星上搭載了高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀兩臺載荷，均由中科院長春光學精密機械與物理研究所研制（簡稱“長春光機所”）。
我國首顆、全球第三顆碳衛(wèi)星
全球變暖、溫室效應、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度均顯著增加。”中科院長春光機所研究員鄭玉權告訴記者，氣候變化的主要因素是全球變暖，大氣中溫室氣體被認為是全球變暖的罪魁禍首。
面對嚴峻的“氣候變化”形勢，減少二氧化碳等溫室氣體的排放已成為應對“困局”的必然選擇。因此，
碳排放的量化監(jiān)測是全球
減排的重要基礎和保障。目前的所有碳排放量監(jiān)測手段中，只有星載高光譜溫室氣體探測技術既能夠實現對大氣中少二氧化碳等溫室氣體濃度的高精度探測，又能夠獲取全球各區(qū)域氣體濃度分布數據。正因如此，各發(fā)達國家紛紛積極研發(fā)專用的、高精度溫室氣體觀測衛(wèi)星。
“但由于極高的技術難度，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、甲烷濃度觀測的衛(wèi)星GOSAT，一顆是美國于2014年發(fā)射的、專門用于大氣二氧化碳濃度測量衛(wèi)星OCO-2衛(wèi)星?！编嵱駲嗾f。
全球二氧化碳監(jiān)測的“中國擔當”
中國氣象局前局長鄭國光指出：“近60年來，全國地表平均溫度升高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，中國尤甚。
在巴黎協定關于將全球平均氣溫的升溫保持在遠低于2攝氏度的目標道路上，世界各國正在快馬加鞭為這一目標努力。大量的科學論證表明，若超過2攝氏度，地球上的生命將岌岌可危。
最新的國際政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告明確指出，由于人類活動影響，大氣二氧化碳的濃度已經由工業(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程。
正是在這樣的全球背景下，國家科技部-863計劃在十二五期間專門設置了“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星與應用示范”重大項目（簡稱全球碳監(jiān)測衛(wèi)星項目），目標是研制并發(fā)射一顆“以高光譜二氧化碳探測儀、多譜段云與氣溶膠探測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)測科學試驗衛(wèi)星”，建立高光譜衛(wèi)星地面數據處理與驗證系統(tǒng)，形成對全球、中國及其它重點地區(qū)大氣二氧化碳濃度監(jiān)測能力，監(jiān)測精度達到1-4ppm，使我國在高光譜大氣二氧化碳濃度觀測方面達到國際先進水平。
我國“分辨率最高的光譜儀”
據介紹，碳衛(wèi)星實現大氣溫室氣體探測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，對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，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算，即可推演出全球二氧化碳的通量變化（單位時間通過單位面積的二氧化碳總量）。
鄭玉權介紹，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儀。二氧化碳探測儀采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06?m、1.6?m、0.76?m 三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，如此高的分辨率在國內光譜儀器的研制上尚屬首次。
“一個好漢三個幫?！碧夹l(wèi)星另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀，可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確計算二氧化碳濃度剔除干擾因素。
如此高的分辨率如何實現？鄭玉權告訴記者，二氧化碳探測儀是通過一塊指向反射鏡對外部光線進行收集，這塊指向鏡在設計時被巧妙的設計“一鏡雙用”：一面鏡面，用于在觀測時折射光線；一面漫反射面，在定標時對準太陽，形成漫反射光來定標儀器精度?！扒擅钤O計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的高精度，另一方面要實現高度輕量化和高可靠性，研究人員經過反復工藝摸索和大量的空間可靠性試驗才最終完成突破這項關鍵技術?！?/div>
另外，二氧化碳探測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，同時要能夠適應苛刻的太空環(huán)境要求。鄭玉權表示，為突破這項關鍵技術，科研人員從最基礎的、制造全息光柵所需的高精度曝光系統(tǒng)研究出發(fā)，一點點攻克技術難點，最終在碳化硅基底上制造出高精度衍射光柵，并在
航空校飛試驗中進行了驗證。
“配角”不簡單，可助提高天氣預告準確性
碳衛(wèi)星上的另一個載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀雖然不是‘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儀負責人、中科院長春光機所研究員顏昌翔介紹，多譜段云與氣溶膠探測儀可以利用偏振信號對氣溶膠敏感而對地表不敏感的特點，提取氣溶膠光學厚度，然后利用提取的氣溶膠信息和標量信號對地表敏感的特點，經過大氣訂正，得到地表反射率，從而實現對氣溶膠和地表反射率的同時反演。
“這樣不僅可以獲取的全球尺度氣溶膠數據，還可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐?！鳖伈枵f。
據了解，碳衛(wèi)星發(fā)射運行后，科學數據將依托風云系列地面接收站資源完成數據下傳。據了解，這些數據還需要經過大氣物理學家進行高精度的全球二氧化碳分布反演計算，才能最終成為全球二氧化碳觀測數據產品并共享發(fā)布。
