碳衛星：太空中觀測二氧化碳含量的「眼睛」

每一個半小時，在距離地面700公裡外的預定軌道上，全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱「碳衛星」）都會向國家衛星氣象中心傳輸信號。「它在太空挺好的。」6日，碳衛星地面應用系統總指揮、國家衛星氣象中心副主任張鵬在接受科技日報記者採訪時說。

這是首顆、全球第三顆專門用於「看」全球大氣中二氧化碳含量的衛星。自去年12月22日發射至今，它已經在太空呆了8個多月。

「碳衛星的各項功能、性能指標符合研製總要求，在軌測試取得成功，建議儘快完成衛星在軌交付，發揮應用效益。」日前，在氣象局組織的碳衛星在軌測試總結評審會上，評審委員會鑒定說。

「與以往的氣象衛星不同，碳衛星是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳濃度，其主要由模塊化衛星平台、高光譜二氧化碳探測儀與多譜段雲與氣溶膠探測儀組成。」張鵬說。

大氣中，二氧化碳濃度只有萬分之四左右，而按照項目設計，對二氧化碳濃度監測的精度優於4ppm（百萬分比濃度）。意味著，碳載荷必須能發現大氣中二氧化碳1%的濃度變化。

「這就需要探測儀具有極高的光譜解析度和探測靈敏度。」張鵬說，在幾十納米的帶寬上，人眼看只有一個顏色，二氧化碳探測儀採用大面積衍射光柵對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06微米、1.6微米、0.76微米三個大氣吸收光譜通道，最高解析度達到0.04納米。

多譜段雲與氣溶膠探測儀雖然不是「主角」，但它的作用也不可小覷。「氣溶膠會使陽光發生散射，從而影響到碳衛星接收到的輻射信息。而氣溶膠探測儀可以排除大氣氣溶膠的干擾，當近地面有大量氣溶膠時，可對其含量進行測定。」張鵬說。

鑒定結果也表明，高光譜二氧化碳探測儀和雲與氣溶膠探測儀各項功能滿足任務書要求，其中前者光譜定標精度優於指標要求。「也就是說，這樣測量出的二氧化碳含量會更精確。」張鵬說。

「碳衛星通過5種觀測模式組合，完成對全球二氧化碳的探測，其裝載的高光譜二氧化碳探測儀有2000多個通道，光譜解析度極高。」碳衛星首席應用科學家、國家衛星氣象中心總工程師盧乃錳說。

為滿足碳衛星5種觀測模式和十餘種指向模式間自如切換的要求，衛星平台研究人員為其打造出一副好「身板」。也就是所謂的「複雜姿態指向控制系統」，讓衛星能夠大角度姿態轉動，就像跳華爾茲一樣，實現斜著看、豎著看、盯著看。同時還要觀測太陽和月亮，進行對日、對月定標。「這就給衛星設計提出了很高的要求，但事實證明我們做到了。」張鵬說。

在軌測試結果表明：衛星軌道、姿態正常；各項遙控遙測功能、數傳運行正常；星地數據介面匹配良好，星上記錄存儲和回放正常，各種工作狀態切換響應及時準確，衛星平台各項指標均符合任務書要求。

當前，氣候變化問題全球矚目。為更精確地監測全球二氧化碳空間分佈情況，2009年，日本發射了溫室氣體觀測衛星「呼吸」號（GOSAT），再就是2014年美國發射的OCO-2衛星。

按項目設計，的碳衛星大氣二氧化碳反演精度可達1-4ppm，比GOSAT衛星監測精度高，與OCO-2衛星相當。「美國OCO2衛星只有一個觀測二氧化碳的儀器，無法同時獲取雲和大氣中氣溶膠的信息，而這些信息是衛星探測二氧化碳非常重要的輔助觀測信息。」張鵬說。

盧乃錳也表示，日本GOSAT的有效觀測點只有300多個，我們在設計時加大了衛星的掃描寬度，增加了採樣點，使得有效觀測點比他們多了一個數量級。

「完成在軌測試只是第一步，接下來我們要把接收到的磁信號處理成可見的光譜信號，用光譜信號再反演出空氣中二氧化碳的濃度，反演是整個處理過程的核心，從而形成全球二氧化碳觀測數據產品，可以使所有的科研人員共享。」張鵬強調。