不久,继美、日之后,地球上空的碳卫星“家族”又会添新成员——中国将发射国内首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星。

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。

“该项目立项还紧密结合相关部门的需求,如它与中科院先导专项的碳专项紧密结合,也与中科院一直推动系列科学实验卫星计划不谋而合。”李加洪说。

更多精彩！欢迎关注“科普中国-科技创新里程碑”官方微信（kjcxlcb）。