尽管对全球变化的机理还存在诸多分歧，但以碳为基础的温室气体对全球气候变化的重要影响已达成共识。因此，研究碳循环也就成了全球气候变化研究的重要议题。例如，1992年签署了旨在将大气CO2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的《联合国气候变化框架公约》；1997年的《京都议定书》为发达国家规定了温室气体减排指标；2008年召开的G8峰会将“低碳”这一议题推上了前台；2009年哥本哈根气候峰会和2010年的坎昆气候变化大会的召开，更显示出全球对温室气体排放导致全球气候变化的普遍认同，中国作为一个人口大国和能源消耗大国，在这两次峰会上无奈地被推到了浪尖上。尽管没有绝对可靠的数据支持，2010年中国还是被诸多媒体认定为最大的碳排放国，中国政府将面临更大的压力。为了达到《巴厘路线图》的“三可”量化减排目标（可测量、可报告、可核查）和相应的计量方法，各国政府都迫切希望相关的科学家们能拿出切实可行的测量方法和技术，获得足够长时间的真实可信的数据，在重大问题上保护国家的利益不受侵害。

2008年以前，全球的温室气体观测站只有282个，且地区分布不均，全球的CO2排放估算主要依靠陆基观测网。为解决全球数据来源的问题，发展卫星遥感观测CO2似乎势在必行。联合国气候峰会闹得最不可开交一年就应该是2009年了，那一年，日本和美国相继发射了旨在进行全球温室气体观测的卫星。1月23日，日本“呼吸”号卫星（GOSAT）在鹿儿岛发射升空；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，这额外增加的重量使得卫星无法到达预定的轨道，最后坠入太平洋。可以说，这次发射失败，对气候学家来说，损失巨大，本来他们指望用这颗卫星来弥补地面上参差不齐的二氧化碳测量数据的。OCO的设计是用与二氧化碳相关的吸收曲线监测窄幅度大气中二氧化碳的浓度变化，生成全球碳源汇的分布图。显然，OCO可以帮助监督一些国家是否遵守减排要求，在履行国际气候条约中有非常重要的作用。

也许是这种监测在国际政治上的独特意义，再次发射OCO的替代产品几乎让所有研究人员都觉得理所当然，大家都希望在不久的将来“复制”一颗新的卫星重新发射。当年12月，美国国会会议委员会敦促宇航局在2010财年为替换项目拨出启动资金。2010年，喷气推进实验室（JPL）已授权和资金资助建立“轨道碳观测者2号”（OCO-2），最初的设计的确与OCO相比没有什么太大变化。但是，2011年，金牛座XL火箭的其他发射任务Glory再次失败。美国航空航天局对此倍受打击，于是决定将OCO-2换用Delta II火箭来发射，因此就不得不延迟发射了。另一个迫使延迟的原因是在此期间，研究团队了解到旋转惯性轮的问题，也需要一定的时间来更换。现在决定，今年7月1日将OCO2送入轨道，费用高达4.68亿美元。

与此同时，也就是在延迟发射中，有了一些意想不到的发现，完全改变了OCO原先的设计思路：

1）虽然日本的GOSAT不能与OCO一样制作出详细的全球二氧化碳分布图，但是它有类似的光谱分辨率。研究人员在处理了一些GOSAT数据后，意识到要在云和气溶胶的干扰下测量二氧化碳，他们必须确定并去掉一些荧光信号。在某些场合下看似噪音的东西也可能是另一种信号，产生了一种新的技术先驱。与此同时，也就标志着叶绿素荧光科学时代到来了。

2）发现其他一些测定光合作用的参数，如绿度和叶面积，似乎是有问题的——常绿林全年都是绿色的，即使冬天它只吸收很少的碳，绿色也没有太大变化；相比之下，植物只有在进行光合作用时才会发出荧光，所以这种发光直接反映了植物吸收二氧化碳的量。

3）在今年3月份发表于PNAS上的一项研究发现，美国玉米种植带的荧光峰值比世界上其他地方都要亮，而气候模型可能低估该地区50~75%的碳吸收量。

4）荧光测量也有帮助解决一个长期存在的争论，那就是亚马逊雨林如何应对干旱，因为预计随着世界逐渐变暖这种情况发生频率可能更高。一些科学家认为，亚马逊致密树冠的光合作用不仅受到水而且还有光的限制，因此在干旱期增加光照会导致“绿化”（greening up）。

5）另一篇2013年基于GOSAT数据发表在《英国皇家学会学报B》上的论文显示，在亚马逊一些地方的旱季，荧光和光合作用都下降了，而另一个指示产量的参数叶面积指数却达到了峰值。

也就是说，叶绿素荧光制图似乎更成为OCO-2发射的理由，有科学家认为这是卫星最具创新性和革命性的观测任务。

其实，植物生理学家几十年前知道叶绿素荧光性了：叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象，叶绿素荧光也被称为光合作用的探针。然而，要从太空进行荧光制图还是困难重重的，因为这微弱的信号要穿过地球环绕的浓密大气层。现在，科学家们已经可以对所获得的最清晰叶绿素荧光进行深入研究了，可用于计算全球植被是如何吸收二氧化碳的。如果结合GOSAT和OCO-2制图可获得一个特定地区的二氧化碳净交换。有了荧光信号，研究人员可以进行更深入探讨，利用两个组分得到净交换：通过光合作用吸收的碳和通过呼吸碳损失的碳，而且他们可以观察这些因素在不同气候条件下随时间的变化情况。通过精确制图，可以纠正全球碳收支计算中因数据缺失导致的不准确性，这样提供了一种新的工具来评估生态系统在气候变化干热胁迫下的表现。卫星具备了如此的制图能力，在OCO失败后一个漫长的等待是值得的！

而且，其应用可能会远远超出气候科学研究本身。荧光制图还可以评估错落有致的田地中不同作物的生产力，可能对全球作物产量进行更准确的估计，以及它们如何应对干旱和热浪，这对了解生态系统如何适应气候变化来说是非常有价值的信息。在不断变化的气候中，我们是否在正确的地方种植了正确的作物？未来，欧洲航天局（ESA）的荧光探索者项目（FLEX）将开发300米分辨率的传感器，耗资1亿欧元的FLEX项目是2015年欧洲航天局两份备选发射任务之一。

参考资料
美国宇航局将于2013年开展“轨道碳观测者”替换项目 （http://article.yeeyan.org/view/160080/114024）
李红林等，2011。新一代温室气体观测卫星(GOSAT、OCO)传感器设置。气象科技，39(05): 603-607.
Carbon mapping satellite will monitor plants’ faint glow. Science 13 June 2014: Vol. 344 no. 6189 pp. 1211-1212

该文的主要内容被整理后发表于《太空探索》2014年第8期12-14页。

从_轨道碳观测者_到_荧光制图卫星_赵斌.pdf