近日，中國全球二氧化碳監測科學實驗衛星(簡稱“碳衛星”)數據正式對外開放共享，這也意味著，繼美國、日本之后，中國成為第三個可以提供碳衛星數據的國家。

這顆碳衛星由中國自主研制，于2016年12月在酒泉衛星發射中心發射。2017年1月12日成功開機，13日轉入在軌觀測任務模式并獲取首批觀測數據。碳衛星地面應用系統總師楊忠東表示：“目前，整個碳衛星從衛星到地面已經基本處于正常的業務運行階段了。”

那么，碳衛星是在什么背景下應運而生?身懷何種絕技?又是怎樣讓“碳排放”無處遁形的呢?今天，就請您跟隨小編一探究竟。

碳衛星緣起

身負光榮使命

從未有任何一個問題，如“氣候變化”一樣，牽動到世界上每一個人、甚至每一種生命。

全球變暖、溫室效應、極端天氣、霧霾……每一個詞都如一把重錘，不時地敲打人類脆弱的文明。

在嚴峻的“氣候變化”形勢面前，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。《聯合國氣候變化框架公約》的最終目標就是“將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上”。

碳排放的量化監測是各國最終實現溫室氣體減排的重要技術基礎和保障，而所有的碳排放量監測手段中，目前只有星載高光譜溫室氣體探測技術，既能夠實現對大氣中CO2等溫室氣體濃度進行高精度探測，又能夠獲取全球各區域氣體濃度分布數據。

正因如此，各發達國家紛紛積極研發專用的、高精度溫室氣體觀測衛星。但由于極高的技術難度，目前僅有兩顆衛星從太空監視地球溫室氣體排放：一顆是日本于2009年發射的溫室氣體觀測衛星“呼吸”號(GOSAT)衛星，另一顆是美國2014年發射的“軌道碳觀測者”(OCO-2)衛星。

OCO-2衛星

在這樣的背景下，“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范”重大項目(簡稱全球碳監測衛星項目)于2011年立項。經過近6年的攻關研制，中國首顆二氧化碳觀測科學實驗衛星于2016年12月成功發射。

小個子大本領

碳衛星的主載荷

碳衛星是一顆高空間分辨率和高光譜分辨率的全球二氧化碳監測科學試驗衛星，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，監測精度為1-4ppm，具備對全球、中國及其它重點地區大氣二氧化碳濃度的監測能力。

碳衛星實現大氣溫室氣體探測是基于大氣吸收池原理，CO2、O2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，應用反演算法即可計算出衛星在觀測路徑上CO2的柱濃度。

　

溫室氣體大氣吸收池原理示意圖

通過對全球柱濃度的序列分析，并借助數據同化系統的一系列模型計算，可推演出全球CO2的通量變化(單位時間通過單位面積的CO2總量)，這正是碳循環研究的核心數據基礎。

碳循環示意圖

要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠碳衛星的主載荷——高光譜與高空間分辨率CO2探測儀。該載荷采用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06µm、1.6µm、0.76µm三個大氣吸收光譜通道，最高分辨率達到0.04nm，這就如同檢查人的指紋，普通儀器只看得到紋理，而CO2探測儀可以把指紋放大一百倍，精細地測量每條指紋的寬度和深度。如此高的分辨率在國內光譜儀器的研制上尚屬首次。

CO2探測儀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地設計成“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，利用漫反射光來定標儀器精度。

CO2探測儀使用的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境要求。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研究出發，一點點攻克技術難點，最終在SiC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。

大面積全息衍射光柵

一個好漢三個幫

配角也不簡單

一個好漢三個幫，碳衛星另一臺載荷——多譜段云與氣溶膠探測儀雖然不是主角，但也別小看它，它可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演CO2濃度，剔除干擾因素，帶來很多意想不到的收獲。

碳衛星載荷系統

在項目立項論證時，云與氣溶膠探測儀只規劃了0.38mm、0.67mm、0.87mm、1.64mm四個光譜通道;但隨著地面應用系統的不斷論證，希望儀器能夠增加1.375mm探測通道，并在0.67μm和1.64μm波段實現0°、60°、120°三個方向的偏振測量功能。

為了獲取更加豐富的科學數據，項目組成員克服困能，重新對儀器進行了設計，按照應用系統的需求增加了相應的探測通道。

圖為多譜段云與氣溶膠探測儀特寫

增加探測通道后，利用偏振信號對氣溶膠敏感而對地表不敏感的特點，可以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。

碳衛星研制團隊

用青春書寫綠色使命

2011年，碳衛星項目正式啟動。鑒于項目意義大、技術指標高、研制周期緊等特點，中科院長春光機所以“天宮一號”超光譜成像儀研制團隊為基礎，組建了一支既有一定工程經驗、又年輕富有戰斗力的科研團隊。項目啟動時，“碳衛星”載荷研究團隊32人，平均年齡不到33歲，其中CO2探測儀負責人研究員鄭玉權39歲，CAPI探測儀負責人顏昌翔研究員38歲。正是這樣一支年輕的隊伍，開啟了碳衛星載荷研制攻堅戰。

6年中，研究團隊沉著應對種種困難，按照關鍵技術攻關和航天工程實施兩條線索開展工作。先后完成了兩臺載荷的設計、原理樣機研制及驗證、初樣載荷研制、航空校飛試驗等工作，突破了一系列核心關鍵技術。取得突破的過程中，也凝聚了團隊成員大量的心血。由于儀器性能要求，CO2探測儀在軌時需要在零下20度溫度條件工作，由此要求儀器的所有組件裝配均需要在零下20度低溫下進行。當室外氣溫已經升至20℃時，裝調小組的幾個年輕人需要穿著厚厚的羽絨服，在零下20℃的低溫箱中進行光機裝調，而這樣的工作一開始就要持續2-3個月。

整個載荷主體，橫豎1平方米。當它身披著“黃金圣衣”沖向宇宙時，便擔負起保護人類、控制溫室氣體排放的神圣使命。而中科院長春光機所碳衛星研制團隊的小伙子們，也隨著項目的完成邁入了而立之年。他們從無到有，實現技術突破;又迎頭趕上，比肩國際先進水平。他們在“碳索”的過程中，用青春譜寫了科研夢!