2016-12-23 11:55:13 来源: 中国青年报 作者: 邱晨辉 樊未晨
在这个雾霾锁城的冬季,我们对原本难以感知的气候变化有了切肤体会:全球变暖、温室效应、极端天气等,这些不时敲打人类文明的“大词”,如今竟离我们如此之近。
别再肆无忌惮地排放了——面对这般严峻形势,人类发出疾呼。全球上百个国家的元首签下名字,承诺本国减少二氧化碳等温室气体排放。不过,减排的一个技术前提,是排放的量化监测,而这是个科技难题。12月22日凌晨,我国在酒泉成功发射的第一颗碳卫星,就是中国派往地球之上监测全球温室气体排放的太空使者。
这是继日本GOSAT卫星、美国OCO2卫星之后,全球第三颗“嗅碳”卫星。那么,这颗并非全球唯一、在排名上也并不领先的卫星,对重点地区乃至全球的大气二氧化碳浓度监测能力究竟有多大?对我国在国际气候变化方面的话语权又将有多大的提升?中国青年报·中青在线记者采访相关专家进行解读。
为何要到外太空去跟踪二氧化碳
说起二氧化碳,这个曾频繁出现在中学课本里的气体名词,人们并不陌生。这是空气中常见的温室气体。
根据碳卫星首席应用科学家、中国气象局国家卫星气象中心总工程师卢乃锰的说法,二氧化碳就像是给地球套了一层薄膜,能将太阳送到地球的热量吸收并缓慢释放,让薄膜内变得暖烘烘的,即产生所谓的“温室效应”。当薄膜增厚,热量就不易扩散出去,在过去的几百亿年中,这样的环境让地球温度适宜升高,并孕育生命。
然而,自工业革命以来,人类向大气中排入的温室气体逐年增加,温室效应随之增强,诸如森林砍伐等正迅速打破原有的温度平衡,放大了大气的保温效应。这也成了过去100年中,全球平均气温上升了0.7℃左右的主要原因。
0.7℃,这个和我们日常温度相比毫不起眼的数字,一旦放到另一个坐标系里,就显得异常严峻。科学论证表明,如果全球平均气温的升温超过2℃,地球上的生命将岌岌可危。事关全球气候治理的《巴黎协定》也将升温的目标控制在远低于2℃的范围内。
那么,如何控制?
减排。
如何确认减排?
通过有效的监测。
这个逻辑推演并不难,难在“有效的”3个字。
事实上,早在150年前,人类就开始对二氧化碳进行地面观测。直到2010年前后,全球范围内的地面观测站依然有200多个,但根据专家的说法,依靠它们无法画出一张全球二氧化碳分布图。
卢乃锰甚至发现,有的国家只是通过化石燃料燃烧数量、效率,来计算二氧化碳排放量,这其中有很大的不确定性。更为棘手的是,这些统计更多的是世界各地的各自统计,很难弄清全球二氧化碳的分布、排放情况和变化趋势。
但如果有一颗挂在地球之上的卫星,每天都在绕着地球跑圈,卢乃锰说,经过几个月,就能把全球每个角落的二氧化碳情况都看到。
碳卫星计划应此而生。
事实上,气候和气候变化导致人类生存条件的变化,已不仅是科学问题,更是世界各国政府共同关注的政治问题、经济问题和外交问题。这也是为何继日、美之后,中国依然要发射自主研制的碳卫星。
正如科技部国家遥感中心总工程师李加洪所说,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。
如何算清二氧化碳排放这本账
碳卫星工程副总指挥、中科院国家空间科学中心副主任龚建村说得更为直白:“别人有,不代表我们就不需要了,别人有,我们更要有。”
在他看来,要科学发展,就必须有科学数据的支持,未来一旦进行碳交易,不能人家说多少就是多少,二氧化碳排放量这本账要算清楚。如今,碳卫星的成功发射,将大大提升中国在国际气候变化方面的话语权。
要造出这样一颗卫星并不容易。
自从2009年哥本哈根世界气候大会之后,全世界都在持续关注二氧化碳问题,同一年,日本发射了碳卫星GOSAT,美国在经历了一次失败后,锲而不舍,最终在2014年发射了碳卫星OCO2。
尽管碳卫星是个只有几百公斤重的小卫星,却有着令人望而生畏的技术难度,尤其是灵敏度。
根据碳卫星载荷系统二氧化碳探测仪负责人、中科院长春光机所研究员郑玉权的说法,当前二氧化碳浓度变化很快,但从数字上看,平均每年也只是在零点几个ppm(浓度单位——记者注)到1个ppm之间变化,想把信号探测出来,仪器灵敏度不高的话,只能作罢。
中国碳卫星做到了。郑玉权说,几十纳米的带宽上,人眼看是一个颜色,而通过二氧化碳探测仪的2000多个通道,碳卫星就具备了微小差异颜色的区分能力,其灵敏度可以发现1到4个ppm二氧化碳的变化,这不亚于美国OCO2的水平。
有了碳卫星,如何算出全球范围内二氧化碳排放这本账,也是个难题。根据专家的说法,要获得一张覆盖全球二氧化碳监测图,需要碳卫星在太空跑2~3个月。
那么,3个月后,全球范围内二氧化碳的流动情况是什么样,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,又是如何?
卢乃锰表示,“通量”“源”“汇”这三者间有关系,但没有一个数学方程能说明“浓的地方就是源,通量就高;稀的地方就是汇,通量就低”。
这就需要把碳卫星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。分步骤来看,首先,要有一个大气的模型,勾画出大气的流场,描述风往哪儿吹;然后,由碳卫星告诉大家,二氧化碳浓度是怎么分布的。在此基础上,科学家们进行推算,这种浓度下,它会吹到什么地方去,通量是多少。
卢乃锰说,如果多几个频次观测,就能最终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。
如何跟踪、寻找二氧化碳
这一切的前提是,碳卫星能够在太空上监测,即能够“看到”二氧化碳。
鲜为人知的是,这颗卫星虽然名曰“碳卫星”,却并不能直接“看到”二氧化碳在哪里,而是要借助太阳光的照射,去跟踪经大气散射出来的光,间接地反演出大气二氧化碳浓度。
一般来说,太阳光分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色谱,但事实上,太阳光的色谱远不止这些。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。
卢乃锰说,在反射或散射出来的光中,如果“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。在这个过程,碳卫星就扮演眼睛的角色,去判别“强”或者“弱”,科学家据此结论,再进行他们通常所说的“反演”。
说起碳卫星的眼睛角色,就不得不提它所搭载的两个载荷:二氧化碳探测仪、云和气溶胶探测仪。前者是主载荷,通过获取高精度的大气吸收光谱,应用反演算法计算出二氧化碳的浓度。后者可以测量云、大气颗粒物等辅助信息,为精确反演二氧化碳浓度剔除干扰因素,还可为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。
根据碳卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院研究员尹增山的说法,碳卫星要想进行全球观测,还需要实现灵活的观测模式,如此才能对全球陆地和海面路径上二氧化碳的吸收光谱进行精确测量。
这种灵活多变的观测模式,形象地说,需要碳卫星频繁调整姿态,在太空翩翩起舞:斜着,调整到耀斑观测模式,竖着,调整到天底观测模式。
比如,当碳卫星飞过海洋时,身子灵活一转,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。
事实上,卫星领域的科学家最忌讳的就是让卫星有没完没了的动作——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?尹增山说,恰恰是为了特定的科学目标,科学家解决了碳卫星在天上不断做动作的难题。
一旦碳卫星的“判断力”有所下降,科学家也会帮它“调整”。当要确认“强信号”观测准确与否时,就定标太阳:转个身子,盯着太阳看,因为太阳的光谱、辐射强度比较稳定,可以拿它和碳卫星观测的强度进行比较;要确认“弱信号”时,就让碳卫星盯着光谱同样稳定的月亮看。
形象地说,即在太空舞步之前,先对着镜子打扮打扮,白天跳舞对着太阳照镜子,名曰“对日定标”,夜里跳舞对着月亮照镜子,名曰“对月定标”。
如今,碳卫星已经飞向距离地面几百公里外的太空轨道。尹增山说:“在经过一段时间的在轨测试后,碳卫星将开始长达3年的工作,每天记录时间长达10个小时。让我们共同期待这颗中国星,早日带来一手的二氧化碳数据。”
