• 来源：中国气象报社 记者：卢健

​　12月22日3时22分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称“碳卫星”）发射升空。本次发射的碳卫星是我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星。此外，本次任务还搭载发射中科院微小卫星创新研究院自主安排研制的1颗高分辨率微纳卫星和2颗高光谱微纳卫星。新华社发（任晖 摄）

• 本文科学顾问：碳卫星首席应用科学家卢乃锰

　　“现在世界各地统计碳排放，许多国家各自通过化石燃料燃烧量和效率来计算排放量，其中具有很大的不确定性。你上天后，要帮助我们弄清全球二氧化碳的分布、排放情况和变化趋势，让我们在应对气候变化时真正做到有的放矢。”带着这样的任务，12月22日凌晨，作为世界上第三颗碳卫星，我出发前往距离地球700公里多外的太空，即将开始我的全球“碳”秘旅行。

​出生：一探全球二氧化碳

　　我的名字里带有一个“碳”，因为我的工作就围绕着它的化合物——二氧化碳展开。

　　150年前，人类开始对二氧化碳进行地面观测。在短短的一百多年里，二氧化碳浓度变化之快让科学家吃惊，从280ppm增长到了现在的400ppm。这么多的二氧化碳会对地球产生什么影响呢？

　　作为温室气体，二氧化碳就像给地球盖了一个保温薄膜：能把太阳光“放”进来，让薄膜内变得暖烘烘的。当薄膜增厚，热量就不易扩散出去，这是在过去的100年中，导致全球平均气温上升了0.7℃左右的主要原因。

　　要是继续按照这个态势发展下去，地球可就支撑不住了。有研究表明，到时候即便停止二氧化碳排放，地球也会发生不可逆的变化。

　　有人会好奇，通过地面观测站来近距离“观察”二氧化碳不是更清楚吗，为什么要派我到太空去呢？

　　科学家们如此安排自然是大有深意。他们正是看中了我的飞行能力和空间对地遥感的技术。我每天都在绕着地球跑圈，经过几个月，就能把全球每个角落的二氧化碳情况都看到。相比之下，二氧化碳地面观测站固然有优势，但在2010年前后，全球范围内这样的观测站只有200多个，仅仅依靠它们无法画出一张完整的全球二氧化碳分布图。

原理：解码阳光反射信息

　　虽然我叫碳卫星，但其实我并不能直接看到二氧化碳在哪里，而是通过看太阳光穿过大气照到地面后反射出来的光，或者经大气散射出来的光，然后“解码”出二氧化碳的情况。

　　大家一般都知道，太阳光分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色谱。而实际上，太阳光的色谱远不止这些，单单拎出来七个中的任何一个，都有极为丰富的变化。太阳光经过大气，总有一些特定的频点被其中聚集的二氧化碳吸收。如果卫星看到反射或散射出来的光中特定的频点很弱，那么可以推断这里的二氧化碳分子比较密集；反之，特定频点很强，则可推断二氧化碳分子较少。这个推断过程就是科学家通常所说的“反演”。

　　具体来说，我在绕地飞行的时候，把东西向20公里范围内的信息收集起来，然后把带有太阳光反射或散射情况的信息放在信号里，交给建在地面的三个接收站，进而送至国家卫星气象中心进行处理。整个处理过程的核心是反演：有一个地球模型来描述大气的二氧化碳状况；一个太阳的模型，包括太阳光的光谱、强度、照射的角度情况；卫星观测信息和地面观测检验站资料一起送到反演系统，最终得到不同地区的二氧化碳浓度信息。

工作：围绕地球翩翩起舞

　　我有两样宝贝载荷，一个用来观测二氧化碳，一个用来观测云与气溶胶。在整个观测过程中，我是边跳舞边工作的。

　　在观测二氧化碳的时候，我可以这样看：太阳光穿过大气，照到地面反射出来，我把脸朝向地面，直直地盯着正下方看反射的信息。科学家称这个模式为星下点观测。

　　当我飞过海洋的时候，身子灵活一转，就能斜着身子看太阳打在海面上的光斑。这就切换到了耀斑观测模式。

　　虽然我拥有很高大上的技术，但作为一名科技工作者，我的工作作风十分严谨认真。当飞过地面检验站时，我马上目不转睛地观察这个位置的太阳光信息，并把我看到的信息跟它观测到的信息进行比较，这就是目标观测模式。

　　另外，除了观测二氧化碳之外，我还能观测气溶胶。雾—霾等气溶胶跟二氧化碳一样，它们的异常增加和人类排放有关，两者联合观测不仅能提高二氧化碳的反演精度，而且有利于对它们进行综合分析。

　　我全年365天在外空飞行，暴露在各种宇宙射线中，工作环境非常恶劣。时间长了，身上的元器会老化，就可能影响到我准确的判断力。这可是了不得的事，有科学家曾经说这就像市场里的秤，用的时间长了，又不仔细，准心就不准了。遇到这种情况时，为了做一名诚信商家，商家会把秤“标定”一下。

　　而我也是一颗严肃负责的卫星，如果我的判断力下降，科学家们也会帮我“标”一下的。当要确认强信号观测得准不准的时候，就让我转个身子盯着太阳看，因为太阳的光谱、辐射强度都很稳定，可以拿标准太阳辐射强度和我观测的强度进行比较；要确认弱信号的时候，就让我盯着光谱同样稳定的月亮看。看完了太阳和月亮，我的定标就完成了。

难度：捕捉百分之一微小变化

　　虽然我是一颗微小卫星，但也是让几个航天大国伤透脑筋的卫星呢，因为技术上实在太有挑战性了。

　　从哥本哈根气候变化大会之后，全世界都在持续关注二氧化碳问题。日本在2009年发射了碳卫星GOSAT，美国在经历了一次失败后，锲而不舍，最终于2014年发射了碳卫星OCO-2。碳卫星对灵敏度要求很高，在现在二氧化碳浓度变化很快的情况下，我们需要在每年零点几个ppm到1个ppm之间把信号探测出来，灵敏度不高根本就办不到。

　　这就需要为大家介绍一下我搭载的超高光谱二氧化碳探测仪了。在几十纳米的带宽上，用人眼看只有一个颜色，而通过我的2000多个通道，就具备了微小差异颜色的区分能力。这也只有中科院长春光机所制造的200×200毫米的大面积光栅才能做到，它可是填补了这一领域的国内技术空白。

　　现在，经过科学家的努力，我可以自豪地说，我的灵敏度已经提高到可以发现1到4个ppm二氧化碳的变化，这不亚于OCO-2的水平。

　　还有，在民用卫星里，没有哪个小伙伴比我的观测模式更复杂，我可是有5种观测模式和十几种指向的模式哟。虽然大家看我跳舞、翻跟头都很轻松随意，但这可真正称得上“台上十分钟，台下十年功”。卫星领域的科学家最忌讳的就是让卫星做没完没了的动作：毕竟是在太空，没有任何着力点，要是翻过去翻不回来了怎么办？而恰恰是为了特定的科学目标，科学家解决了我在天上不断做动作的难题。

　　与导航定位卫星小伙伴不同，我做的工作并不是简单的目标识别，比如看地面上有个什么建筑；跟气象卫星小伙伴涉及的谱段也不一样，它们装载的大气探测仪器主要是在红外和微波吸收谱段。相比于这些，我传回给地球的数据，要难处理得多。

　　气象卫星在国内是领头羊，比其他卫星的发展时间早十几年。相应地，气象部门科学家的卫星反演技术也很拿得出手。然而，对利用可见光和近红外探测结果进行大气成分的反演，这还是头一次，所有的反演验证系统都要重新设计。他们联合攻关，终于啃下了这块硬骨头，填补了技术空白。

计算：哪里排放一览无余

　　获得一张覆盖全球的二氧化碳监测图，需要我在太空跑2到3个月。

　　前面我已经自我介绍了一番，我能看到全球的二氧化碳浓度分布情况。而实际上，对我抱有很大期待的地球居民更想知道的是：二氧化碳的流动情况是什么样子的，即通量如何；它是从哪里排放出来的，又在哪里被植被、海洋等吸收，也就是通常所说的源汇情况。

　　这三者间有关系，但没有一个数学方程能说明，浓度高的地方就是源，通量就高；浓度低的地方就是汇，通量就低。

　　那么怎样得到源汇呢？这就需要把我获得的二氧化碳遥感浓度，嵌套进大气二氧化碳传播模型中。首先有一个大气的模型，勾画出大气的流场，描述风往哪儿吹。然后我来告诉大家二氧化碳浓度是怎么分布的。在此基础上，科学家们就能推算，这种浓度下，它会吹到什么地方去，通量是多少。如果多几个频次观测，就能知道是什么地方排放了这些二氧化碳。比如一个城市吹出去的二氧化碳多，吹进来的少，那毫无疑问，这个地方肯定有排放。所以需要走三步才能得到源汇，而后两步的工作也非常有挑战性。

　　现在，我已经准确进入到了距离地面700公里外的预定轨道。开机之后，我将进行6个月的在轨测试。如果一切顺利，我获取的数据将加载到国家综合地球观测数据共享平台，除向国内各类用户提供数据共享服务外，还将通过全球生态环境遥感监测年度报告（GEOARC）发布专题报告。前段时间，NASA（美国国家航空航天局）主动提出合作，希望我能和OCO-2、GOSAT，以及欧洲将要发射的碳卫星一起，进行多卫星联合观测。这样，我们辛苦工作获得的数据，就能更好地造福人类。