原標題：二氧化碳排放量中國衛(wèi)星來算賬
在這個霧霾鎖城的冬季，我們對原本難以感知的氣候變化有了切膚體會：全球變暖、溫室效應、極端天氣等，這些不時敲打人類文明的“大詞”，如今竟離我們?nèi)绱酥?/p>
別再肆無忌憚地排放了——面對這般嚴峻形勢，人類發(fā)出疾呼。全球上百個國家的元首簽下名字，承諾本國減少二氧化碳等溫室氣體排放。不過，減排的一個技術前提，是排放的量化監(jiān)測，而這是個科技難題。12月22日凌晨，我國在酒泉成功發(fā)射的第一顆碳衛(wèi)星，就是中國派往地球之上監(jiān)測全球溫室氣體排放的太空使者。
這是繼日本GOSAT衛(wèi)星、美國OCO2衛(wèi)星之后，全球第三顆“嗅碳”衛(wèi)星。那么，這顆并非全球唯一、在排名上也并不領先的衛(wèi)星，對重點地區(qū)乃至全球的大氣二氧化碳濃度監(jiān)測能力究竟有多大？對我國在國際氣候變化方面的話語權又將有多大的提升？中國青年報·中青在線記者采訪相關專家進行解讀。
為何要到外太空去跟蹤二氧化碳
說起二氧化碳，這個曾頻繁出現(xiàn)在中學課本里的氣體名詞，人們并不陌生。這是空氣中常見的溫室氣體。
根據(jù)碳衛(wèi)星首席應用科學家、中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心總工程師盧乃錳的說法，二氧化碳就像是給地球套了一層薄膜，能將太陽送到地球的熱量吸收并緩慢釋放，讓薄膜內(nèi)變得暖烘烘的，即產(chǎn)生所謂的“溫室效應”。當薄膜增厚，熱量就不易擴散出去，在過去的幾百億年中，這樣的環(huán)境讓地球溫度適宜升高，并孕育生命。
然而，自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的溫室氣體逐年增加，溫室效應隨之增強，諸如森林砍伐等正迅速打破原有的溫度平衡，放大了大氣的保溫效應。這也成了過去100年中，全球平均氣溫上升了0.7℃左右的主要原因。
0.7℃，這個和我們?nèi)粘囟认啾群敛黄鹧鄣臄?shù)字，一旦放到另一個坐標系里，就顯得異常嚴峻?？茖W論證表明，如果全球平均氣溫的升溫超過2℃，地球上的生命將岌岌可危。事關全球氣候治理的《巴黎協(xié)定》也將升溫的目標控制在遠低于2℃的范圍內(nèi)。
那么，如何控制？
減排。
如何確認減排？
通過有效的監(jiān)測。
這個邏輯推演并不難，難在“有效的”3個字。
事實上，早在150年前，人類就開始對二氧化碳進行地面觀測。直到2010年前后，全球范圍內(nèi)的地面觀測站依然有200多個，但根據(jù)專家的說法，依靠它們無法畫出一張全球二氧化碳分布圖。
盧乃錳甚至發(fā)現(xiàn)，有的國家只是通過化石燃料燃燒數(shù)量、效率，來計算二氧化碳排放量，這其中有很大的不確定性。更為棘手的是，這些統(tǒng)計更多的是世界各地的各自統(tǒng)計，很難弄清全球二氧化碳的分布、排放情況和變化趨勢。
但如果有一顆掛在地球之上的衛(wèi)星，每天都在繞著地球跑圈，盧乃錳說，經(jīng)過幾個月，就能把全球每個角落的二氧化碳情況都看到。
碳衛(wèi)星計劃應此而生。
事實上，氣候和氣候變化導致人類生存條件的變化，已不僅是科學問題，更是世界各國政府共同關注的政治問題、經(jīng)濟問題和外交問題。這也是為何繼日、美之后，中國依然要發(fā)射自主研制的碳衛(wèi)星。
正如科技部國家遙感中心總工程師李加洪所說，中國政府研制并發(fā)射碳衛(wèi)星，對全球大氣中二氧化碳濃度進行動態(tài)監(jiān)測，進而給出全球碳分布數(shù)據(jù)，不僅是中國應對全球氣候變化采取的積極行動，而且也體現(xiàn)了負責任大國的擔當。
如何算清二氧化碳排放這本賬
碳衛(wèi)星工程副總指揮、中科院國家空間科學中心副主任龔建村說得更為直白：“別人有，不代表我們就不需要了，別人有，我們更要有。”
在他看來，要科學發(fā)展，就必須有科學數(shù)據(jù)的支持，未來一旦進行碳交易，不能人家說多少就是多少，二氧化碳排放量這本賬要算清楚。如今，碳衛(wèi)星的成功發(fā)射，將大大提升中國在國際氣候變化方面的話語權。
要造出這樣一顆衛(wèi)星并不容易。
自從2009年哥本哈根世界氣候大會之后，全世界都在持續(xù)關注二氧化碳問題，同一年，日本發(fā)射了碳衛(wèi)星GOSAT，美國在經(jīng)歷了一次失敗后，鍥而不舍，最終在2014年發(fā)射了碳衛(wèi)星OCO2。
盡管碳衛(wèi)星是個只有幾百公斤重的小衛(wèi)星，卻有著令人望而生畏的技術難度，尤其是靈敏度。
根據(jù)碳衛(wèi)星載荷系統(tǒng)二氧化碳探測儀負責人、中科院長春光機所研究員鄭玉權的說法，當前二氧化碳濃度變化很快，但從數(shù)字上看，平均每年也只是在零點幾個ppm(濃度單位——記者注)到1個ppm之間變化，想把信號探測出來，儀器靈敏度不高的話，只能作罷。
中國碳衛(wèi)星做到了。鄭玉權說，幾十納米的帶寬上，人眼看是一個顏色，而通過二氧化碳探測儀的2000多個通道，碳衛(wèi)星就具備了微小差異顏色的區(qū)分能力，其靈敏度可以發(fā)現(xiàn)1到4個ppm二氧化碳的變化，這不亞于美國OCO2的水平。
有了碳衛(wèi)星，如何算出全球范圍內(nèi)二氧化碳排放這本賬，也是個難題。根據(jù)專家的說法，要獲得一張覆蓋全球二氧化碳監(jiān)測圖，需要碳衛(wèi)星在太空跑2～3個月。
那么，3個月后，全球范圍內(nèi)二氧化碳的流動情況是什么樣，即通量如何；它是從哪里排放出來的，又在哪里被植被、海洋等吸收，也就是通常所說的“源、匯”情況，又是如何？
盧乃錳表示，“通量”“源”“匯”這三者間有關系，但沒有一個數(shù)學方程能說明“濃的地方就是源，通量就高；稀的地方就是匯，通量就低”。
這就需要把碳衛(wèi)星獲得的二氧化碳遙感濃度，嵌套進大氣二氧化碳傳播模型中。分步驟來看，首先，要有一個大氣的模型，勾畫出大氣的流場，描述風往哪兒吹；然后，由碳衛(wèi)星告訴大家，二氧化碳濃度是怎么分布的。在此基礎上，科學家們進行推算，這種濃度下，它會吹到什么地方去，通量是多少。
盧乃錳說，如果多幾個頻次觀測，就能最終知道是什么地方排放了這些二氧化碳。比如，一個城市吹出去的二氧化碳多，吹進來的少，那毫無疑問，這個地方肯定有排放。
如何跟蹤、尋找二氧化碳
這一切的前提是，碳衛(wèi)星能夠在太空上監(jiān)測，即能夠“看到”二氧化碳。
鮮為人知的是，這顆衛(wèi)星雖然名曰“碳衛(wèi)星”，卻并不能直接“看到”二氧化碳在哪里，而是要借助太陽光的照射，去跟蹤經(jīng)大氣散射出來的光，間接地反演出大氣二氧化碳濃度。
一般來說，太陽光分為赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色譜，但事實上，太陽光的色譜遠不止這些。太陽光經(jīng)過大氣，總有一些“特定的頻點”被其中聚集的二氧化碳吸收。
盧乃錳說，在反射或散射出來的光中，如果“特定的頻點”很弱，那么可以推斷，這里的二氧化碳分子比較密集；反之，“特定頻點”很強，則可推斷二氧化碳分子較少。在這個過程，碳衛(wèi)星就扮演眼睛的角色，去判別“強”或者“弱”，科學家據(jù)此結(jié)論，再進行他們通常所說的“反演”。
說起碳衛(wèi)星的眼睛角色，就不得不提它所搭載的兩個載荷：二氧化碳探測儀、云和氣溶膠探測儀。前者是主載荷，通過獲取高精度的大氣吸收光譜，應用反演算法計算出二氧化碳的濃度。后者可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度剔除干擾因素，還可為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。
根據(jù)碳衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員尹增山的說法，碳衛(wèi)星要想進行全球觀測，還需要實現(xiàn)靈活的觀測模式，如此才能對全球陸地和海面路徑上二氧化碳的吸收光譜進行精確測量。
這種靈活多變的觀測模式，形象地說，需要碳衛(wèi)星頻繁調(diào)整姿態(tài)，在太空翩翩起舞：斜著，調(diào)整到耀斑觀測模式，豎著，調(diào)整到天底觀測模式。
比如，當碳衛(wèi)星飛過海洋時，身子靈活一轉(zhuǎn)，斜著身子，看太陽打在海面上的光斑，這就切換到了耀斑觀測模式。
事實上，衛(wèi)星領域的科學家最忌諱的就是讓衛(wèi)星有沒完沒了的動作——畢竟是在太空，沒有任何著力點，要是翻過去翻不回來了怎么辦？尹增山說，恰恰是為了特定的科學目標，科學家解決了碳衛(wèi)星在天上不斷做動作的難題。
一旦碳衛(wèi)星的“判斷力”有所下降，科學家也會幫它“調(diào)整”。當要確認“強信號”觀測準確與否時，就定標太陽：轉(zhuǎn)個身子，盯著太陽看，因為太陽的光譜、輻射強度比較穩(wěn)定，可以拿它和碳衛(wèi)星觀測的強度進行比較；要確認“弱信號”時，就讓碳衛(wèi)星盯著光譜同樣穩(wěn)定的月亮看。
形象地說，即在太空舞步之前，先對著鏡子打扮打扮，白天跳舞對著太陽照鏡子，名曰“對日定標”，夜里跳舞對著月亮照鏡子，名曰“對月定標”。
如今，碳衛(wèi)星已經(jīng)飛向距離地面幾百公里外的太空軌道。尹增山說：“在經(jīng)過一段時間的在軌測試后，碳衛(wèi)星將開始長達3年的工作，每天記錄時間長達10個小時。讓我們共同期待這顆中國星，早日帶來一手的二氧化碳數(shù)據(jù)。”(記者邱晨輝 樊未晨)