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2016年中国航天发射完美收官 我国首颗“嗅碳”卫星成功发射

2016-12-22 06:35:30

【观察者网综合】2016年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,成功将我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星(TANSAT,简称“碳卫星”或“嗅碳卫星”)发射升空。该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行,将使我国初步形成针对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度监测能力。此次任务,还搭载发射了1颗高分微纳卫星和2颗光谱微纳卫星。

至此,我国2016年的航天发射任务全部完成,发射次数超过20次,数量直追美俄。

搭载着我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的长征二号丁运载火箭静待发射

此次发射的碳卫星,是我国首颗、全球第三颗专门用于“看”全球大气中二氧化碳含量的卫星。该卫星的成功研制和后续在轨稳定运行,将使我国初步形成针对全球、中国及其他重点地区的大气二氧化碳浓度监测能力,填补了我国在温室气体检测方面的技术空白,其成果对我国掌握全球变暖的变化规律和全球碳排放分布、提高我国在应对全球气候变化的国际话语权等方面具有重要意义。

火箭发射升空后,西安卫星测控中心及其下属多个测控站接续开展精准控制。在火箭飞行约13分钟后,火箭搭载的多颗卫星依次进行星箭分离,相继进入预定轨道。随后,西安卫星测控中心发送指令,控制卫星展开太阳能帆板,建立正常工作状态。后续,西安卫星测控中心还将承担卫星在轨运行长期管理等工作。

碳卫星是科技部为应对全球气候变化、提升我国全球二氧化碳监测能力部署的一项重大任务。

2009年,国家遥感中心组织专家组开始中国碳卫星的前期战略研究工作;2011年在863计划的支持下“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目(中国碳卫星)正式由科技部立项,由中科院国家空间科学中心负责工程总体,中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统,中科院长春光学精密机械与物理研究所研制有效载荷,中国气象局国家卫星气象中心负责地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统的研制、建设和运行。

项目目标研制并发射一颗“以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学实验卫星”,建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统,形成对全球、中国及其他重点地区大气二氧化碳浓度监测能力,监测精度达到1-4ppm(百万分比浓度),即是说,当大气中二氧化碳含量变化超过百万分之四时,“千里眼”就必须发现。

搭载着我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的长征二号丁运载火箭一飞冲天

用于发射任务的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制。这次发射是长征系列运载火箭的第243次飞行。

太空中怎么能“看”到二氧化碳?“看”到了二氧化碳又有什么用?这颗卫星还带了哪些“高精尖”科技?记者采访相关专家,揭开碳卫星的神秘面纱。

“千里眼”看颜色识气体

从厚厚包裹着地球的大气层中,识别出哪些气体是二氧化碳,还要画出一张张“动态图”——碳卫星需要安上特制的“千里眼”。

早在1992年世界各国即签署了《联合国气候变化框架公约》,旨在将大气二氧化碳浓度稳定在某一水平上以防止人类活动严重干扰气候系统。之后,数次全球范围内的气候大会,都显示出国际社会对温室气体排放导致全球气候变化的普遍认同,气候变化问题已超越地缘政治成为关系人类命运的重要议题。

美国OCO-2卫星

中国本次发射的碳卫星,搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪的工作原理,是在可见光和近红外谱段,利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度。

碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理,用通俗的话说,就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。中科院长春光学精密机械与物理研究所研究员郑玉权解释,太阳光经过空气时,空气中的二氧化碳分子对许多精细的颜色有了不同程度吸收。通过光学仪器对这些色彩进行非常精准的测量,可以反向推算出二氧化碳分子数量,从而得知大气中的二氧化碳浓度。

碳卫星的工作原理

通过对全球柱浓度的序列分析,并借助数据同化系统的一系列模型,可推演出全球二氧化碳的通量变化(单位时间通过单位面积的二氧化碳总量),这正是碳循环研究的核心数据基础。

长春光机所助理研究员蔺超说,长春光机所为此制造了大面积衍射光栅,相当于在头发丝的宽度上划出200余条形状和直线度要求很高的刻线,“这样的精密元件,如同细密梳子,才能过滤出更为精细的色彩”。

地面观测点也能搜集大气中的二氧化碳数据,为什么还要发射卫星?碳卫星工程地面应用系统总设计师杨忠东说,全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个,难以满足监测需求,只有用卫星俯瞰,才能绘制二氧化碳分布的全景图。

“碳排放”要有中国数据

掌握全球的二氧化碳分布状况有什么用?科技部国家遥感中心总工程师李加洪说,在碳排放数据上知己知彼,对提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。

全球变暖、极端天气……严峻的气候变化形势面前,减少二氧化碳等温室气体的排放成为必然选择。碳排放的量化监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础,在所有的碳排放量监测手段中,目前只有星载高光谱温室气体探测技术既能对二氧化碳等温室气体浓度进行高精度探测,又能获取全球各区域的气体浓度分布数据。

正因如此,各发达国家纷纷研发专用卫星。由于技术难度极高,目前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放:一颗由日本2009年发射(GOSAT),一颗由美国2014年发射(OCO-2)。也是在2015年12月22日,美国NASA公布了首张全球二氧化碳分布图,其中中低纬度部分地区的大气二氧化碳浓度突破了400ppm。

NASA公布的首张全球CO2分布图

李加洪介绍,我国发射的碳卫星通过地面数据接收、处理与验证系统,定期获取全球二氧化碳分布图,使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。

“持家先要有账本,这个‘账本’就是我们自己监测到的碳排放量。” 李加洪说。

“高精尖”未来有望测雾霾

碳卫星上除了搭载二氧化碳探测仪,还有另一件“利器”——多谱段云与气溶胶探测仪。这台探测仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息,为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素。

多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”,但可能会带来许多意想不到的收获。

杨忠东说,多谱段云与气溶胶探测仪能监测大气中的颗粒物,可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

研究人员表示,具体如何监测雾霾,要等碳卫星传送回第一份数据后再做分析判断。

此外,碳卫星实现全球观测,是卫星平台频繁调整姿态、“翩翩起舞”的结果。在此过程中,科研人员突破了多项关键技术,实现了技术跨越发展。

碳卫星载荷系统

或与国外合作形成碳卫星“虚拟星座”

碳卫星最终实现全球观测,还需要卫星平台实现灵活的观测模式。二氧化碳探测仪与卫星平台配合,通过主平面天底和耀斑两种主要观测模式,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。

为保证在轨获取光谱数据的精度,载荷需要进行对日、对月定标,这也需要卫星平台频繁调整姿态、翩翩起舞。中国碳卫星绝对是地球之上的灵魂舞者。

当然,仅有卫星是远远不能完成使命的,若要实现最终任务目标,需要多个大系统协调配合。在科技部、中国科学院的共同组织下,碳卫星按照航天工程模式,组成了卫星、运载、发射场、测控、应用五大系统。

碳卫星发射运行后,科学数据将依托风云系列地面接收站资源完成数据下传。这些数据并不是直接可用的二氧化碳浓度分布,需要经过气象学家进行高精度的全球二氧化碳分布反演计算,才能最终成为全球二氧化碳观测数据产品并共享发布。

气候问题是全人类共同面对的问题,解决气候问题、监测碳排放也是需要世界各国努力合作的问题。李加洪曾谈到:“做全球二氧化碳监测仅仅一两颗卫星是不够的,我国(碳卫星)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”。

搭载着我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的长征二号丁运载火箭点火发射

搭载着我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的长征二号丁运载火箭烈焰喷薄

碳卫星的几种工作模式

观察者网综合“装备科技”微信公号、新华社、中新网报道

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来源:观察者网 | 责任编辑:梁福龙
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