这种卫星，堪称分析二氧化碳变化的“眼睛”+“大脑”

来源：互联网 2024-11-14 08:53:11 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

出品：科普中国

作者：杨东旭（中国科学院大气物理研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

在浩瀚无垠的宇宙中，地球作为我们唯一的家园，其健康与未来牵动着全人类的心弦。随着工业化进程的加速和能源消耗的急剧增长，大气中的二氧化碳浓度不断攀升，气候变化已成为不容忽视的全球性问题，有效应对成为人类命运共同体生存的挑战。为了守护这颗蓝色星球，科学家们不断探索创新，其中，碳监测卫星正以其独特的视角和精准的能力，为地球大气进行着一场前所未有的“CT检查”。

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全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。

（图片来源：新华网）

碳监测卫星翱翔于万米高空，用敏锐的“眼睛”捕捉大气中二氧化碳的变化，用智慧的“大脑”分析数据背后的科学奥秘。

碳监测

碳监测，简而言之，就是通过对大气中二氧化碳等温室气体的浓度进行实时监测，以了解其排放、吸收及空间分布情况的科学技术手段。

碳监测在“双碳”战略目标中扮演着举足轻重的角色。随着人类活动导致的二氧化碳排放量不断增加，气候变化已成为全球面临的严峻挑战。为了减缓这一趋势并找到适应之道，我们需要通过碳监测来掌握二氧化碳的时空变化、背后的机理及其科学规律。这不仅为未来“双碳”战略目标的完成提供了坚实的数据和科学基础，更是推动生产生活方式转型、实现人与自然和谐共生的关键所在。

碳卫星模拟工作图

（图片来源：中国科学院微小卫星创新研究院）

目前，碳监测主要有两种方式，一种是自下而上的监测，这种方法通过监测微观过程（如化石燃料燃烧、电力消耗等）逐步叠加积累，得到整体的碳排放或碳汇情况。这种方式具有个体碳过程清晰的优势，能够直接反映部门级别碳的使用量或能源的使用量。

另一种是自上而下的监测，相比之下，自上而下的监测方法更为新颖和先进。它通过监测大气中二氧化碳的变化量，反推出碳排放的来源和去向。这种方法可以用于实时监测，对整体排放总量把握精准。不仅能够揭示碳排放的空间分布，还能为碳排放的精准管控提供科学依据。

碳监测卫星就是一种对碳自上而下的监测。

从无到有

中国碳卫星是国际上的第三颗温室气体监测卫星，前面有日本的GOSAT卫星和美国的OCO-2号卫星。

在国际上已有两颗碳监测卫星的情况下，我国为什么还要发射碳监测卫星呢？

实际上，虽然我们的卫星是第三颗卫星，但这三颗卫星都是在同一个时间段进行研制的。我国碳监测卫星在立项研制过程中没有成熟的案例可以参考，所以这三颗卫星的技术起步是类似的，在研制过程当中我们也是摸着石头过河，突破了多项关键技术。

我国研制碳监测卫星的主要目的是为了突破空间碳监测这一技术，实现从0到1、从无到有的过程。这颗卫星的发射标志着我国在碳监测领域迈出了重要一步。

全球二氧化碳监测科学实验卫星效果图

（图片来源：中国科学院大气物理研究所）

这颗卫星在设计之初就充分考虑了气溶胶和云对二氧化碳监测精度的影响，搭载了多个载荷以提升监测精度。与日本的GOSAT卫星和美国的OCO-2卫星相比，我国碳卫星在技术上实现了多项突破，成为国际碳监测领域的重要一员。

通过多年的运行和科学实验，我国碳卫星取得了多项重要成果。它首次获取了全球二氧化碳浓度的分布数据，并成功监测了全球碳排放和碳汇的分布情况。此外，我国碳卫星还实现了对中国和国际上城市碳排放的首次监测，为全球气候变化研究提供了宝贵的数据支持。

精益求精

我国的碳监测卫星通过监测大气中二氧化碳的吸收光谱，推算出大气中二氧化碳的含量。由于大气中二氧化碳的分布是不均匀的，因此需要通过大气反演方法和大气输送模型来进一步示踪二氧化碳的源头。

碳监测卫星的轨道高度距地面700公里左右，在这个高度上对大气二氧化碳变化进行监测，我们还能将数据误差降低至0.5%，我们是做了非常多努力的。

为了确保监测数据的精度，我们在硬件和软件上都进行了精心设计和优化。碳监测卫星需要具备长期稳定的观测能力，能够高精度地识别二氧化碳的吸收光谱。同时，软件系统也需要全面考虑太阳辐射、大气和地表等因素对监测数据的影响，以确保提取出高精度的二氧化碳数据信息。此外，地面系统的标定和验证也是保障监测精度的重要环节。

碳监测卫星观测到的原始信号需要经过定位、定标等多个步骤，才能转化为二氧化碳含量的信息。进一步地，还需要进行同化反演计算，以反推出碳排放的数据。

这些数据对于评估全球碳排放现状、分析历史趋势及预测未来变化具有重要意义。同时，它们也为制定科学合理的减排政策、推动绿色低碳发展提供了有力的数据支撑。

结语

碳监测卫星作为应对全球气候变化的科技先锋，正通过其精准的监测和科学的分析，使我们更好地了解大气中二氧化碳的变化情况，也为实现“双碳”目标、推动可持续发展贡献智慧和力量。