全球变暖、温室效应、极端天气、雾霾……气候变化早已成为悬在人类头上的一柄达摩克利斯之剑。这一切是否就是二氧化碳的“锅”，全球二氧化碳的排放到底增加了多少，如果我们已经意识到温室气体和人类命运休戚相关，那么对于它，我们就不能只有一本糊涂账。

“在多种温室气体中，二氧化碳的地位非常独特，因为它跟人类活动甚至每个国家的经济基础密切相关。”科技部国家遥感中心总工程师李加洪说。这不仅是科学问题，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。

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。

但是要算清温室气体这笔账，就得有“账本”,要能监测到碳排放量，还得有明细，到底每个国家每年有多少碳排放。而当今碳循环科学面临的最大问题，就是在洲际、区域和局部尺度上无法观测获取量化的、精度高的碳通量（单位面积上单位时间内碳含量的变化）信息。

在地面监测站早已不堪重任，且难以获得全球数据的情况下，一种可以不断在全球尺度上获取高精度通量信息的手段登场——上天！

在此背景下，“嗅碳”卫星应运而生。

由于“嗅碳”卫星的技术难度很大，目前全球仅有两颗该类卫星在轨工作。一是日本于2009年发射的“呼吸”号温室气体观测卫星，另一颗则是美国2014年发射的OCO-2卫星。

如今，中国人自己的碳卫星也已发射升空。

“这颗碳卫星填补了我国在这一领域的空白，而且整体水平高于日本的‘呼吸号’。”李加洪说。

“探测二氧化碳这件事，可不是谁想做都能做的。碳卫星包含高技术、高水平、高指标，标志着我国在这一领域的研究工作跻身世界前列。” 碳卫星工程副总指挥、中科院空间中心副主任龚建村说。

这颗碳卫星能填补我国在温室气体监测方面的技术空白，而掌握自己的数据，也能提升我国国际话语权——毕竟，以后进行碳交易，不能别人说多少就是多少，咱们自己也要测个清楚。

难怪科学家们这样评价碳卫星，这虽是一颗小卫星，但却承载了大期望、承担了大使命。

碳卫星到底怎么探测二氧化碳，原来，大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性，碳卫星通过精细测量其光谱吸收线，可以反演出大气二氧化碳浓度。也就是说，一切都能暴露在阳光下。

碳卫星有好几种观测模式。一种是“斜着看”，即“耀斑观测模式”，利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据。一种是“竖着看”，即“天底探测模式”，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测。因为还要对日定标（利用太阳光作为标准源标定仪器的观测值）、对月定标和对地定标（利用地面高精度测量设备提高数据一致性），再加上多种观测模式交互进行，碳卫星就要不断调整姿势，跳起“太空华尔兹”。这，也被科研人员称为“跳着舞看”。

每16天，碳卫星就会对地球进行一次全面体检。检测数据被发送给地面，经过解析和处理后，就可以最终形成不同季节、不同地区排放情况的“体检报告”，最终碳卫星将用自己的一双慧眼准确测量地球的“体温”，为人们治疗地球的病症提供最可靠的依据。

中国气象局遥感应用服务中心副主任张兴赢表示，有了碳卫星传回来的数据，人们才可以清晰地掌握碳排放的机理和变化，可以有的放矢地制定减排政策措施，可以获得更多的科学结论来应对全球气候变化。当然，如果碳卫星表现够出色，在谁应该为地球“发烧”来买单问题上，没准儿还能派上大用场。

另外，碳卫星上除了搭载二氧化碳探测仪外，还有一台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不是“主角”，但可能会带来许多意想不到的收获。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。

这颗碳卫星本事不一般

地球老“发烧”，都是因为“碳”

在G20杭州峰会上，中国倡议二十国集团发表首份气候变化问题主席声明，率先签署《巴黎协定》，向全球作出庄严承诺。《巴黎协定》为什么宁可牺牲经济发展，也要设定温室气体减排的目标，这都是温室气体惹的祸，地球自人类工业革命之后在持续“发烧”。

地球大气的温度正在不断升高，其罪魁祸首被科学家锁定为以大气中二氧化碳为代表的气体，它们让太阳加热地球的短波辐射轻易进入，却将地球向外散热的长波辐射反射回地球，因此热量易进难出，就像栽培植物的温室一样。这种效应被形象地称为温室效应，二氧化碳等气体就被称为温室气体。

二氧化碳气体原本是自然界中的固有成分，地球形成时大气中就有二氧化碳了，为什么我们现在却对它“嫉恶如仇”，原因在于，工业革命以来，科学家研究发现大气中的二氧化碳一直在增加，且增加的值超过了40万年来的正常“波动”范围。

科学家们研究得出结论：在过去的50年中，因为人类社会经济的发展，每年化石燃料燃烧产生的300亿吨二氧化碳中大约有一半会留在大气层中，另外一半通常认为被海洋和植物吸收了，但是科学家并不能确定这些二氧化碳最后去了哪里、以什么样的形式消失、其中的具体机理又是怎样的？其实这些科学问题至今还悬而未决。

中国气象局遥感应用服务中心副主任张兴赢介绍，人类对二氧化碳了解有限，其中最主要的原因就是对大气中二氧化碳气体的变化规律掌握的还不够详尽。

从上个世纪60年代开始，各国就陆续在地面建设观测站，开展大气二氧化碳观测。其中最著名的就是美国夏威夷的观测站，从建立观测站至今，已经积累了半个多世纪的数据记录。美国夏威夷观测站从上世纪50年代就开始实际监测，20世纪后30年，每年二氧化碳增幅1%到2%。

但是二氧化碳是一种长寿的化学物质，会长时间停留在大气中，然后随着大气运动在全球传输扩散。可是至今，全球只有200多个温室气体观测站，这些有限的观测数据极大地限制了人类对二氧化碳的认知，进而限制了人类对碳排放和全球气候变化影响的科学认知。于是，2000年后，科学家们开始把目光投向了尖端的卫星探测技术，希望借助卫星“天眼”，可以全天候观测全球任何角落大气二氧化碳的浓度信息。

目前，全球已有两颗专门的二氧化碳探测卫星在天上运行。日本卫星GOSAT观测不够精细，最小只能探测到10公里范围内的大气二氧化碳平均值。美国卫星OCO-2空间分辨率提高到2公里左右，但是它只是一颗小卫星，上面只有一个观测二氧化碳的仪器，无法同时获取云和大气中气溶胶的信息，而这些信息是卫星探测二氧化碳非常重要的辅助观测信息。

张兴赢表示，我国这次发射的碳卫星上不仅搭载了一个和美国OCO-2类似的先进二氧化碳探测仪器，而且同时还搭载了一台先进的云和气溶胶的探测仪器。碳卫星的空间分辨率将超过美日卫星，达到1-2公里，也就是说两个相邻较大的小区排放二氧化碳的差别都可能被分辨出来。

这个“千里眼”，慧眼专识“碳”

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”——碳卫星有着独门绝技。

绝技之一就是碳卫星有颗 “千里眼”，这颗“千里眼”就是碳卫星的主载荷--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。

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。

碳卫星项目要求大气中二氧化碳的浓度监测精度优于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。对此郑玉权解释，碳卫星上安装的大面积衍射光栅，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，只有采用如同细密梳子的精密元件，才能过滤出更为精细的色彩。

碳卫星发射升空后，可以看到它在天上不停旋转，好象翩翩起舞的舞者。为什么会这样，碳卫星首席应用科学家卢乃锰说，这就涉及到碳卫星复杂的观测模式。它可以斜着看、竖着看、盯着看。

具体来讲，斜着看，就是耀斑观测模式，利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据；竖着看即天底观测模式，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测；盯着看，就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测，完成既定任务。除此之外，碳卫星还要观测太阳和月亮，进行对日、对月定标。

卢乃锰说，这相当于只有一只眼睛的卫星需要不停转换角度来完成对不同方向的观测。所以卫星要不断地调整姿态，就像跳优美的华尔兹。

这种复杂和高难度的“跳舞”观测，让碳卫星能够得到更加有效的全球二氧化碳分布信息。

“日本的GOSAT（2009年发射的世界首颗温室气体观测卫星）的有效观测点只有300多个，我们在设计时加大了卫星的扫描宽度，增加了采样点，使得有效观测点比他们多了一个数量级。”卢乃锰说。

来源：北京晚报 北晚新视觉网  记者 蔡文清