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方兴未艾的全球温室气体监测卫星 精选

已有 16900 次阅读 2016-6-3 16:01 |个人分类:科普荟萃|系统分类:科研笔记| 全球变化, 温室气体, 碳卫星

无论基于何种原因,在当今有关气候变化的国际谈判中,都会讨论温室气体减排的问题,而这个问题的重要基础是要建立满足“三可”(可报告、可调查与可核实)的温室气体定量监测系统。因此,为了实现这一目标,许多国家都在摩拳擦掌,致力于发展以卫星遥感、地面监测站网络与空中流动监测平台相结合的集成系统,而其中遥感卫星的发展最为坎坷。

2002年欧航局(ESA)的欧洲环境卫星(ENVISAT)发射升空,安装在上面的SCIAMACHY首次开始了对全球和区域大气CO2的测量工作。2012年,这颗超期服役的卫星在刚刚过完10周岁生日后突然与地球失联了,虽然它仍旧运行在原来的轨道上,但人们再也无法接受到它发出的讯息了。目前在太空中替代这个工作的是另外两颗卫星:2009年1月23日,日本“呼吸”号卫星(GOSAT)在鹿儿岛发射升空;同年2月24日,美国“轨道碳观测者”(OCO)发射升空数分钟后,运载火箭金牛座XL的整流罩未能成功脱离,最后坠落到太平洋。2014年,OCO的继任者OCO-2,扩展了荧光测量功能,7月2日成功发射。有关这两颗卫星的更详细资料,可参考我之前的两篇博文:OCO-2:从“轨道碳观测者”到“荧光制图卫星”OCO-2正式加入下午星座列车编队,成为火车头。目前,美国宇航局(NASA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正在合作对两个探测器进行相互校准,同时与地面监测站网络数据进行校准。这两个探测器目前约有0.5%的误差范围,科学家们希望能减少到0.25%。

图1 欧洲环境卫星(ENVISAT)、日本GOSAT-1和美国OCO-2

 

中国也于2011年启动了全球二氧化碳监测科学实验卫星的研制发射计划,与中国科学院战略先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”(简称 “碳专项”)协同开展。这颗卫星简称碳卫星(TanSat),目前,其载荷正样已完成全部环境试验,进入仪器最重要的实验室定标环节。之后,两台载荷将交付上海微小卫星工程中心,进入整星试验测试阶段,今年5月出厂,并在7月择机发射,号称世界第三颗温室气体监测卫星。届时,国家卫星中心将依托“风云三号”极轨气象卫星的地面系统,研发二氧化碳监测仪的资料预处理和产品反演算法,做好该卫星的资料接收、处理和数据服务工作。

图2 中国的碳卫星(TanSat)

 

其他宇航大国,也准备排队发射一系列新的卫星,为一个更大的监测工作奠定基础。今年,除了中国的TanSat,日本计划于2018年发射GOSAT-2,美国NASA希望在2018年发射OCO-3。与OCO-2不同,OCO-3不是自由飞行的卫星,而是将从OCO-2配件制作的光谱仪安装在国际空间站上。也许大多数人认为,卫星发射的更新换代是否总是在上一颗卫星退役之前就已经完成了替代仪器的发射日程,但事实是相反,原因后面在详述。

图3 全球温室气体监测卫星大家族(from Nature, 2016-05-26)

 

虽然人类已经推出了一个小型的卫星观测舰队,但这都还只能是科学实验,科学家们仍然在探索如何从太空中监测温室气体。科学家根据有限的卫星数据,用计算机模型进行了大气模拟,追踪了二氧化碳排放是如何消散在大气中的。随着全球各国航天机构在该计划上的努力,希望从2030开始打造一个由6个探测器组成的崭新全球温室气体观测舰队。大家相信,这一雄心勃勃的努力将有助于气候科学家们改善对未来的预测,也有助于验证各国是否在致力于减少温室气体排放的承诺,在履行国际气候条约中有非常重要的作用。其实,要验证一些国家是否达到其排放目标的精度是一个很高的要求。目前各国估算温室气体排放是采用温室气体清单的方法,这是根据化石燃料的消耗,以及经济和土地利用趋势的各种相关数据进行计算的,存在巨大的不确定性导致最终结果的精确性大打折扣,由于计算中存在一些主观性的参数判定,其客观性也备受质疑。因此,对碳监测卫星的一个迫切期待就是要大幅度提高监测的精确性和客观性。

但科学家们目前要搭建这样的一个系统,尚需要扫清一些令人畏惧的技术和资金障碍。目前这一代卫星只能测量一个给定的空气柱有多少二氧化碳,但是科学家和政府真正想知道这些二氧化碳是从哪里来的。要查明工业活动产生的排放量,研究人员还必须首先确定陆地和海洋生态系统吸收和释放的二氧化碳有多少。这需要结合大气二氧化碳测量与自然环境是如何吸收和排放这些气体的准确信息,并将数据插入到详细的空气流模型中,跟踪二氧化碳来自哪里。最终尚需要证明,二氧化碳与甲烷监测卫星的测量精度是否可以与地面生态系统的观测相媲美。由于近十多年来席卷全球的经济衰退,再加上卫星的研发费用之高,令任何国家在发射前都要好好排排队,进行充分权衡。上世纪90年代末,美国宇航局每年用于地球观测的经费为20亿美元,而到了2007年,这笔款项却减为13亿美元。去年欧洲航天局为了发射监测植物生长的探测器就搁置了计划中的二氧化碳探测器。NASA的科学家已经知道如何建立一个比OCO-2的光谱仪强大20倍的仪器,但缺乏建造和发射的资金,他们目前正在开发的卫星是ASCENDS,是利用激光来测量CO2,据称可在晚上和高纬度地区冬季追踪温室气体。

 

参考资料:
Carbon-sensing satellite system faces high hurdles. Nature 533, 446-447 (26 May 2016) doi:10.1038/533446a



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