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天网合围 溯源全球温室气体

已有 1631 次阅读 2022-7-7 17:29 |个人分类:文章|系统分类:科普集锦

大气环境监测卫星.jpg

近来,常有通过卫星监测大气温室气体的消息见诸媒体,反映了在这一领域快速发展态势。先是2022年4月16日,中国发射了大气环境监测卫星AEMS(Atmospheric Environment Monitoring Satellite),首次实现了通过激光雷达在太空对大气中的云、气溶胶和二氧化碳的垂直分布结构进行高精度主动探测。

 GHGSat.jpg

接着是5月25日,美国SpaceX公司通过猎鹰9号火箭(Falcon 9)执行了第五次小卫星专项拼车任务(Transporter-5),将59颗飞行器成功送入太空。其中包括了加拿大GHGSat公司的三颗温室气体探测卫星。GHGSat目前运行着世界上最大的温室气体监测卫星星座,新增加的卫星将使星座的能力增加一倍,使其能够更快,更准地发现温室气体排放源。特别是提高了对甲烷排放的监测,甲烷是一种非常高效的温室气体,对大气增温效应强度较二氧化碳要高出80倍。因首次实现了对奶牛打嗝释放甲烷量的测量,今年早些时候,GHGSat还曾登上热点新闻。研究人员通过GHGSat公司的高分辨率卫星,分析了美国加州贝克斯菲尔德(Bakersfield)附近奶牛饲养场的甲烷排放,发现在2月2日,这个场区每小时释放约443~668公斤甲烷。如果这样的排放持续一年,将会在地球大气中增加5000吨甲烷。GHGSat还计划通过发射另外四颗卫星进一步扩大星座,预计将于2023年完成发射,完成后星座将由10颗卫星组成。今年5月,GHGSat已正式加入到欧空局(ESA)第三方任务计划,所获取的数据将免费提供给地球科学和气候变化领域的研究人员。

 GHGSat监测.jpg

根据相关研究,甲烷对目前发生的全球增暖影响贡献率至少占有25%。在2021年11月于苏格兰格拉斯哥举行的COP26联合国气候变化大会上,世界各国领导人承诺到2030年将甲烷排放量减少30%。科学家多数倾向认为这一目标不难实现,因许多排放是可以控制或避免的。但存在的一个明显问题是各国都在根据各相关工业活动和使用的化石燃料数量按一定算法报告其排放量。而因没有考虑可能存在的泄漏,且仅依赖于自我检查报告从机制上也存在缺陷,这种推算方法和结论并不可靠。

 甲烷增长.jpg

全球甲烷变化趋势图

实际上,通过对GHGSat及欧洲哨兵等卫星数据的分析,可以清晰发现由于作业疏忽或技术问题,世界各地石油和天然气开采加工过程中存在大量本可控制的甲烷排放源。2021年,甲烷浓度的年增长创下了新纪录,达到16.3 ppb(1/10亿),尽管各国都在承诺减排,但尚未看到减缓的趋势出现。因此,加强卫星监测,实时提供更为精确的数据,将为实现预定减排目标提供可靠依据,也有利于督促各相关政府部门切实采取有效措施控制温室气体排放,让违规者承担责任。

 

一般认为,通过专用卫星监测全球温室气体始于2009年,日本宇航研发局(JAXA)1月23日成功发射了首颗温室气体监测卫星GOSAT,用来对二氧化碳和甲烷的监测,目的是为了落实联合国气候变化框架公约第3次会议(COP3 / UNFCCC)确定的京都议定书对减少温室气体排放要求。伴随气候环境问题持续升温,多个国家相继开始发射温室气体监测卫星,大气成分天基观测成为全球关注热点。

 碳卫星示意图.jpg

碳卫星示意图

美国航天局NASA曾于2009年2月24日发射了一颗碳监测卫星(OCO),但未成功,于2014年7月2日再次发射,将OCO-2顺利送入轨道。2016年12月22日,中国也成功发射了全球二氧化碳监测科学实验卫星,简称“碳卫星”,搭载了高光谱二氧化碳探测仪(ACGS)和多谱段云气溶胶偏振成像仪(CAPI),成为第三个具备通过专用卫星进行全球温室气体监测的国家。随后,2017年11月,中国成功发射了风云3号D星,所携带的高光谱温室气体监测仪(GAS)设计用于监测包括二氧化碳、甲烷、一氧化碳等全球温室气体浓度变化。2018年5月,中国又成功发射了高分5号卫星,搭载的温室气体监测仪GMI也可以定量监测二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的全球浓度分布变化,2021年9月7日发射了高分5号02星。2018年10月29日,日本JAXA又发射了GOSAT-2卫星,以更高的精度同时观测二氧化碳、一氧化碳和甲烷。2019年5月4日,美国NASA又发射了与OCO-2功能类似的OCO-3卫星。

 OCO-2.jpg

OCO2-卫星

实际上,通过卫星探测大气成分的尝试要更早一些,从本世纪初就已开始。如欧空局(ESA)于2002年3月1日发射的对地环境观测卫星Envisat-1上就搭载了扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY),是全球第一个能测量甲烷、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、气溶胶等多种大气成分的卫星载荷。美国于2002年5月4日发射地球科学卫星Aqua上的大气红外测深仪(AIRS),拥有2378个光谱通道,可以捕捉到大气中水汽、臭氧、一氧化碳、二氧化碳和甲烷等成分。2006年10月19日,欧空局(ESA)发射的首颗极轨气象卫星MetOp-A所携带的干涉式红外大气探测仪(IASI:Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)也属高光谱大气探测仪器,同AIRS类似,具备获取多种大气成分的能力。

哨兵5P.jpg

欧洲委员会(Council of Europe)和欧空局(ESA)对于大气环境监测给与了很高关注,2003年正式签署了建立全球环境与安全监测网络计划(GMES),并于2012年将GMES更名为哥白尼(Copernicus)计划。作为这一计划的空间观测任务,开始发射针对地球环境问题的的“哨兵”(Sentinel)系列卫星。其中2017年10月13日发射的“哨兵-5P”主要承担对大气环境的监测,卫星搭载了对流层监测仪(Tropospheric Monitoring Instrument,TROPOMI),可以观测全球各地的多种大气成分分布,包括二氧化氮,臭氧,甲醛,二氧化硫,甲烷,一氧化碳和气溶胶等。

 通过全球碳监测减缓气候变化.gif

碳测绘者(Carbon Mapper)星座示意图

除了已发射的卫星外,还有一些规划中的温室气体监测卫星也将陆续升空,如美国NASA喷气动力实验室(JPL)2021年4月15日宣布要建设一个高光谱卫星星座“碳测绘者(Carbon Mapper)”,用以准确测定甲烷和二氧化碳点源的位置、数量和踪迹,并定于2023年发射星座的前两颗星。“碳测绘者”的可见光和红外成像光谱仪可带来像元分辨率为30米的数据。NASA目前还在牵头研制对地进行温室气体监测的静止卫星GeoCarb (The Geostationary Carbon Cycle Observatory),计划在西经85度赤道上空地球静止轨道上对西半球二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体进行连续监测。欧空局(ESA)2020年7月正式启动了二氧化碳人为排放监测项目(Copernicus Carbon Dioxide Monitoring,CO2M),为欧洲新的高优先级卫星任务之一,两颗CO2M卫星将各自携带一台近红外和短波红外光谱仪,以高分辨率测量大气中的二氧化碳,并将首次完成区分二氧化碳是否来自人为排放的任务,而不仅是监测二氧化碳浓度,预计将于2025年完成发射。4月24日,中国北京未来宇航空间科技研究院有限公司发布了全球首个基于高光谱碳监测的商业卫星星座“未来碳星计划”,是由33颗卫星组成的星座,每颗卫星将搭载高光谱相机和星间激光通信荷载,可实现全球范围快速监测和重点目标小时级观测能力,计划2025年底前将完成星座发射。在中国计划发射的风云三号卫星的后续星上也将继续搭载高光谱温室气体监测仪,实现全球大气温室气体的高精度定量监测。

《中国气象报》

二维码.jpg



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