王麟

推荐词：天宫遨游、蛟龙探海、天眼探空、悟空探秘、墨子传信、大飞机上天……这些中国干成的令人振奋的大事，让世界的目光再次聚焦东方，更令全国人民生出无限的自豪感。那这些大事到底是怎么做成的呢？它们分别遇到过哪些难题呢？《闪耀世界的中国奇迹》一书翔实地讲述了它们的故事。《闪耀世界的中国奇迹》分“天文·宇宙篇”“航天·气象篇”“通信·信息篇”“海洋·材料篇”“航空·交通篇”五部分，共介绍了19项闪耀世界的科技成就。通过本书，同学们不仅能了解这些科技成就，感受祖国的强大，增强民族自信心，还能看到这些辉煌成就背后科学家们付出的汗水与努力，从而更加尊重科学、热爱科学。

2018年1月，一场罕见的低温风暴袭击了美国东海岸，一时间冰天雪地，其中就有令人胆寒的“炸弹气旋”，其巨大威力使得局部地区的气温接近-50℃。有人夸张地说，体感温度甚至比火星还要冷。美国当局警告，裸露的皮肤在空气中暴露10分钟就会被冻伤。暴风雪导致交通大瘫痪，纽约最繁忙的肯尼迪国际机场几乎停摆，全美有3400多趟出入境航班延误。放眼望去，无论是高楼大厦，还是巍峨大桥，都变成了面目狰狞的冰雪怪兽，让人仿佛进入了灾难电影《后天》的可怕场景之中。这就是可怕的极端天气对城市的袭击和蹂躏。

除了严寒，还有酷暑，还有飓风与海啸、干旱与洪涝，这些自然灾害破坏力惊人，造成的损失不可胜计。其实这一切都与“温室效应”有关。所谓温室效应，是指大气中的水汽、二氧化碳、氧化亚氮、甲烷以及臭氧等温室气体对地球的保温作用。据研究，上述这些气体对太阳短波辐射吸收很少，而对地表长波辐射吸收很多。所以，空气中温室气体的含量增加，就会影响地表和大气的辐射平衡，从而导致地表的平均温度上升，对全球气候的变化造成直接影响。

空气中，二氧化碳虽然只占0.031%，但对温室效应的贡献率却高达26%。当前，化石燃料的燃烧和其他相关的人类活动，每年向大气中排放的二氧化碳接近300亿吨，浓度达到了80万年来的最高水平。

根据全球气温监测数据可知，从20世纪50年代开始，约有50%以上区域的地表气温升高。而在1951年到2010年的60年中，全球地表平均温度升高了1.38℃，平均每十年升高0.23℃。二氧化碳作为造成温室效应的主要气体之一，对气候的影响越来越大。全球极端天气的频频爆发，也给人们的生命财产带来了威胁。如今，气候的剧烈变化成了悬在人类头上的一把利剑，人们如果再不做出改变，未来将不堪设想。世界各国必须尽快行动起来，打一场事关人类存亡的气候保卫战。

要想打赢这场战争，就要围绕关键问题进行研究。第一，如果二氧化碳浓度持续上升，温度会不会持续上升？气候系统对二氧化碳的变化有什么样的反应？第二，每年自然界和人为因素分别向大气中排放多少二氧化碳，地球系统能够吸收其中多少？

因此，要想打赢这场气候保卫战，前提是要对全球大气中的二氧化碳含量进行准确测量和监控，时刻掌握其浓度的变化和分布情况。这个想法很好，但是想要达到这个目的，难度是非常高的，因为科学家们要监控的是整个地球的大气层，既包括有人居住的陆地，也包括无人居住的大海，而且还要对某个地区大气层中的二氧化碳浓度的细微变化了然于心。可以说，没有高超的技术手段和先进的仪器设备，想完成这项工作是根本不可能的。

事实也是如此。目前，列入世界气象组织（WMO）全球大气观测计划的站点仍非常有限，全球大气本底监测站为31个，区域大气本底监测站也只有400多个。这些站点可以帮助科学家掌握全球平均的大气二氧化碳信息，但这还远远不够，因为还有很广袤的区域没办法涉足，那就是无边的沙漠和浩瀚的大洋，那里无法安设探测二氧化碳浓度的仪器，从而造成二氧化碳数据的缺失和不完整。这样一来，要想解决前面提到的那几个科学问题就不容易了。

那么有没有其他办法解决监测全球大气二氧化碳浓度这一难题呢？有的，那就是发射专门测量大氣中二氧化碳浓度的卫星，俗称“嗅碳卫星”或“碳卫星”。为了更好地认识碳卫星的先进之处，就让我们回顾一下科学家在探索该技术领域过程中所付出的辛劳与汗水吧。

泪流满面的“自然之母”。海洋摄影师及环境学讲师Michael Nolan在拍摄融化中的Austfonna冰盖时无意中拍到的流泪的“自然之母”，那被迫消融的悲伤，逆流成河对于监测大气二氧化碳浓度的科学家们而言，最好的成果是绘出一幅全球二氧化碳浓度分布图，令他们对全球大气二氧化碳浓度的准确数据和未来变化情况了然于心。但是，由于技术手段的落后，在很长的时间里，科学家们都没有办法得到想要的成果。那么，在发射碳卫星之前，世界各国是如何监测大气中二氧化碳浓度的呢？

无论是国内还是国外的科学家，为了获取大气二氧化碳浓度的数据，都想尽了各种办法，虽然技术还存在不足，但至少起到了一定的作用。在发射碳卫星之前，有两种可行但是并不完美的办法一直在使用，俗称“地基模式”和“空基模式”。那么，这两种监测模式是什么意思呢？

所谓“地基模式”，就是在地面建立多个观测站观测和记录二氧化碳浓度的方法。这种技术始于1958年，由美国科学家查尔斯·基林在夏威夷的莫纳罗亚山上建立起全球首个大气二氧化碳浓度监测站，开启了全球二氧化碳监测的先河。如今，这项工作由美国国家海洋和大气管理局的地球系统研究实验室承担，由美国阿拉斯加州的巴罗天文台、夏威夷的莫纳罗亚天文台、萨摩亚群岛天文台和南极洲上的天文台共同监测大气中气体成分的长期变化情况，同时承担全球气体采样网络的建设，提供大气中二氧化碳的空间变化数据。目前，全球设置的二氧化碳地面观测点大部分位于美国和欧洲，对于美国和欧洲之外的地区，包括海洋和沙漠，因缺乏站点，无法做到有效监测。

“空基模式”是借助飞机和热气球等飞行器监测二氧化碳浓度的方法。科学家们利用飞机在指定的区域内进行观测，精度可达0.1～0.2ppm（ppm指百万体积的空气中所含污染物的体积数）。如今，美国的飞机参与了多个项目的空基测量，而日本则是利用民航飞机飞往澳大利亚、美国、欧洲和亚洲其他国家的机会，在飞机上搭载探测仪器进行温室气体的测量。除了利用飞机之外，利用热气球测量二氧化碳浓度也是一个较好的办法。

“地基模式”和“空基模式”虽然取得了一些成果，但是面对占据全球面积70%以上的海洋和沙漠，这些监测成果零碎、不完整，只能提供局部大气层中二氧化碳的浓度数据，犹如盲人摸象，无法对全球大气进行整体监测。另外，地基和空基测量方法都存在明显的局限性，地基测量技术空间覆盖度低，容易受到沙漠和高山等地形条件的影响，并且维护成本较高。而空基测量技术则需要依托飞机和热气球等工具才能实施，很容易受到恶劣气候的影响。同时，飞机和热气球的航线是固定的，测量范围狭窄，只能获取局部的二氧化碳浓度数据，无法完成对全球大气层中的二氧化碳的浓度测量，更不要说绘制全球二氧化碳浓度分布图了。

既然上述两种办法都不尽如人意，就只能探索第三条路了，那就是发射碳卫星，对全球大气层中的二氧化碳浓度进行全面监控。这个办法可行，但是难度非常高，即使是科技最发达的美国，第一次发射碳卫星也以失败收场。

地基和空基监测技术虽然解决了部分问题，但是还不能满足对全球大气层中的二氧化碳的全面监控，因此寻找更加有效的监测手段就顺理成章。发射碳卫星就是目前最好的选择。利用碳卫星监测二氧化碳浓度的办法有一个很时髦的术语叫“星载模式”，就是通过卫星平台上搭载的各类科学探测仪器，对地球大气层中二氧化碳的浓度进行实时监测。这一模式具有统一、连续、覆盖范围广的优势，从而可绘制全球二氧化碳的浓度图，为科学家们研究气候变化提供数据支持。

然而，星载监测技术虽然很高端，能够对全球大气层中的二氧化碳浓度变化进行监测，但是实现的难度非常大。难到何种程度？全球近200个国家，目前只有日本、美国和中国掌握了这项技术。其中，日本和美国属于这个技术领域的开拓者，中国则后来居上，形成了三足鼎立的局面。

美国和日本的碳卫星采用的技术都是基于日光反射式被动探测原理，即利用卫星上的望远镜，收集地表反射的太阳光，并对其进行分析，进而得到全球二氧化碳的分布图。

美国碳卫星OCO（Orbiting Carbon Observatory）的研发由美国加州理工大学喷气推进实验室负责，这是美国国家航空和宇宙航行局（NASA）地球系统科学开发计划的重要组成部分。这颗碳卫星号称是测量大气层中二氧化碳浓度空间分辨率最高的，并且测量数据最精准的卫星，它的测量采样率每天高达5×105～1×106次，视场分辨率为3平方千米。这里所说的“视场”，指的是卫星摄像头能够观察到的最大范围，视场越大，观测范围就越广。

美国发射碳卫星一波三折。2009年第一次发射碳卫星OCO时，由于整流罩没有与第三级火箭分离，导致发射失败，卫星坠毁，技术发展遭受重大挫折。随后，美国继续研制碳卫星OCO-2，一直到2014年才发射成功，总造价高达4.68亿美元。而日本的碳卫星GOSAT（Greenhouse gases Observing Satellite）的发射就顺利得多，这颗卫星是日本宇宙航空研究开发机构、日本环境省和日本国立环境研究院联合研发而成的，搭载了一台傅里叶变换光谱仪，用于探测二氧化碳和甲烷的浓度;还搭载了一台云（气）溶胶探测仪，用于提高温室气体测量的精确度。卫星于2009年1月23日发射成功，至今已经服役多年。

毋庸置疑，美国和日本作为先驱者，发射的碳卫星为全球范围内监测大气中的二氧化碳浓度做出了开创性贡献。然而，不管是美国发射的OCO-2，还是日本发射的GOSAT，都存在技术上的不足。那么，两家的卫星都有哪些需要改进的地方呢？

对日本的GOSAT而言，它每天的有效观测点只有300多个，相当于在地球的几十万平方千米范围内只有一个观测点，并且最小只能探测到10千米范围内大气中二氧化碳的平均值，测量精度和范围都不高。也就是说，日本碳卫星的探测范围太小，获取的成果有限。

美国OCO-2的空间分辨率虽然提高了2千米，但是这颗卫星的个头较小，只搭载了一台观测二氧化碳的仪器，对于大气中的气溶胶信息则无能为力，而大气中的气溶胶浓度又对二氧化碳的测量精度影响非常大。气溶胶是由微小的固体或液体分散、悬浮在气体中形成的，空气中的云、雾、尘埃，锅炉和汽车冒出的烟，采矿、采石场和粮食加工时所形成的固体粉尘，人造烟雾等都是气溶胶，它们就像捣蛋鬼，影响了观测大气二氧化碳浓度的精确度。打个比方，气溶胶就相当于音乐中的背景噪音，剔除后音乐才会更加悦耳。而美国卫星缺少探测气溶胶的仪器，使其测量的二氧化碳浓度的精确度打了折扣。总之，美国的碳卫星功能还不够强大。

我国自主研发的碳卫星攻克了20多项关键技术，克服了重重困难，终于在技术水平上上了一个台阶，并于2016年12月22日在酒泉卫星发射中心搭载“长征二号丁”运载火箭发射升空。我国碳卫星采用的英文名字“TanSat”有特定的含义，“Tan”其实就是汉字“碳”的拼音，而“Sat”是卫星的英文“Satellite”的缩写，合起来就是“碳卫星”。

我国发射的碳卫星全称叫“全球二氧化碳监测科学试验卫星”，重约620千克，在距地约700千米的太阳同步轨道上运行，装有高精度二氧化碳探测仪和多谱段云（气）溶胶探测仪，用来获取全球包括我国重点地区大气二氧化碳浓度分布图，测量精度优于4ppm，能发现大气二氧化碳1%的浓度变化，达到了国际先进水平。

我国碳卫星装载的高精度二氧化碳探測仪有2000多个通道，光谱解析度极高。大气在太阳光照射下，其中的二氧化碳分子会呈现出光谱吸收的特性，碳卫星通过精细测量二氧化碳的光谱吸收线，就可以反演出大气中二氧化碳的浓度。卫星每隔16天可完成一次地球二氧化碳测绘，最小能测量地面2平方千米范围内的二氧化碳浓度。

当碳卫星采集到原始数据后，传送汇集至中国气象局国家卫星气象中心，研究人员再将数据进行处理，并结合地面监测站的数据，对信号进行反演，最终得到精度在1～4ppm的全球二氧化碳浓度数据。

与日本的碳卫星相比，我国碳卫星的扫描宽度是20千米，是日本的两倍;有效采样点数也是日本的10倍以上。而且我国的碳卫星还专门搭载了一台多谱段云（气）溶胶探测仪，这是美国的OCO-2所没有的，它可在观测二氧化碳的同时，对大气中的气溶胶进行联合观测，从而解决气溶胶的干扰问题。

我国的碳卫星研发开始于2011年，其研发的主要目的是为了打破国外的技术垄断，掌握更多的话语权，同时为应对全球气候变暖献计献策，最终做到资源共享，为全人类的福祉做出贡献。

2011年，国家启动实施“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”研究，由中国科学院国家空间科学中心负责工程总体组织实施，中国科学院微小卫星创新研究院负责卫星系统，中国科学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。

碳卫星研发的技术难度很高，我国的科学家攻克了最关键的三个技术瓶颈，使得碳卫星的性能达到了前所未有的高度。这三项技术突破分别是：200毫米×200毫米的大面积衍射光栅技术、光学遥感定标技术和卫星姿态控制技术。

大面积衍射光栅技术使得观测精度达到了原子级别，可以对二氧化碳的吸收光谱进行细分，最高分辨率达到0.04纳米，如此高的分辨率也创造了国内光谱仪的纪录。

光学遥感定标技术犹如一杆秤的刻度，刻度越精准，测量数据准确度越高。

卫星姿态控制技术能根据需要调整卫星的观测角度和位置，保证它能按要求开展工作。比如碳卫星可以“竖着看”“斜着看”和“盯着看”，每种观测方式获得的数据也有差别。竖着看，可开展地面二氧化碳的观测;斜着看，可获取海面上空的二氧化碳数据;盯着看，顾名思义，就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测。

2017年10月24日，在地球观测组织（GEO）第14届全会“中国日”展览活动上，中国代表宣布首颗全球二氧化碳监测科学试验卫星的数据将对全球用户免费开放。国内外用户可以登录中国气象局国家卫星气象中心数据服务网站或者中国国家综合地球观测数据共享平台，免费进行数据检索下载，充分体现了中国是一个勇于承担责任和义务的大国。中国也成为继美国、日本之后，第三个可以提供碳卫星数据的国家。

期待中国的碳卫星在这场全人类的气候保卫战中贡献更大的力量。

（编辑 旦 旦）