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中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家—新

发布时间:2017-12-04 阅读:

  中国成为第三个提供碳卫星数据的国家

  近日,中国全球二氧化碳监测科学实验卫星(简称碳卫星)的资料正式对外开放,这也意味着在美国和日本之后,中国已经成为第三个可以提供碳的国家卫星数据。

  碳卫星是中国自主研发的,于2016年12月在酒泉卫星发射中心发射。2017年1月12日,系统成功接通,并于13日进入在轨观测模式,获得第一批观测资料。地面卫星系统卫星应用系统负责人杨忠东表示:目前,整个碳卫星从卫星到地面基本处于正常的业务运行阶段。

  那么,碳卫星的背景是什么呢?什么样的特技?碳排放无处可藏吗?今天请跟着小编找出来。

  碳卫星的起源

  有一个光荣的使命

  从来没有像气候变化这样的问题,影响世界甚至每个人的每一个人。

  全球变暖,温室效应,极端天气,阴霾,每一个字就像一个重锤,不时摔打人类脆弱的文明。

  面对严峻的气候变化,减少二氧化碳等温室气体排放已成为应对困境的必然选择。 “联合国气候变化框架公约”的最终目标是稳定大气中的温室气体浓度,防止气候系统受到人为干扰。

  碳排放的量化监测是各国最终实现温室气体减排的重要技术基础和保证。在所有的碳排放监测方法中,只有星载高光谱温室气体检测技术不仅可以实现温室气体浓度的高精度检测,而且可以获得全球的区域气体浓度分布数据。

  为此,所有发达国家都积极开发专用高精度温室气体观测卫星。然而,由于技术难度极高,目前只有两颗卫星监测全球温室气体的排放:一个是2009年日本发射的GOSAT卫星,另一个是2014年由美国发射的“轨道碳观测”(Orbital Carbon Observer, OCO-2)卫星。

  OCO-2卫星

  在此背景下,全球碳干监测科学实验卫星及其应用示范大项目(GCCS)于2011年获得批准。经过近6年的研究和开发,中国首个二氧化碳观测科学实验卫星成功发射2016年12月。

  小家伙大的能力

  碳卫星的主要负载

  碳卫星是高空间分辨率和高光谱分辨率的二氧化碳监测的全球科学试验卫星。其主要负荷是高光谱二氧化碳探测器,多光谱云和气溶胶探测器,监测精度为1-4ppm。监测全球,中国和其他重要地区的大气二氧化碳浓度。

  碳卫星实现大气温室气体检测是基于大气吸收细胞的原理,CO2,O2等气体在近红外到短波的红外波段有更多的气体吸收,形成特征大气吸收光谱,强度严格定量测量的吸收光谱,结合压力和温度等辅助信息,排除大气气溶胶等干扰因素,利用反演算法可以计算出观测路径上CO2浓度。

  温室气体大气吸收池原理图

  使用数据同化系统对柱浓度进行的全球分析和一系列模式计算可推断碳循环研究基础的核心 - 全球CO2通量变化(单位面积随时间的总CO2)。

  碳循环图

  为了获得高精度的大气吸收光谱,有必要依靠碳卫星高光谱和高空间分辨率CO2探测器的主要负荷。该负载采用大面积衍射光栅细分吸收光谱,能够检测到2.06米,1.6米,0.76米三个大气吸收光谱通道,最高分辨率为0.04nm,这就像检查人体指纹一样,普通仪器只能得到纹理,二氧化碳检测器可以放大指纹百倍,精细测量每个指纹的宽度和深度。这种高分辨率是国内光谱仪发展的第一次。

  CO2探测器通过在设计时巧妙地设计为双镜的点反射镜收集外部光线:在观看时折射光线的反射镜;校准时的漫反射器校准太阳并使用漫射光校准仪器。

  CO2探测器使用的核心分束器是一种大面积的全息光栅,它要求极高的衍射效率和表面形状精度,同时能够适应恶劣的空间环境要求。为突破这一关键技术,研究人员从最基本的,高精度的全息光栅曝光系统制造研究中,稍微克服技术难点,最终在SiC衬底上制造出高精度的衍射光栅,并在学校飞行实验得到验证。

  大面积全息衍射光栅

  英雄三帮

  配角并不简单

  一个三人帮,碳卫星和另一个加载多波段云和气溶胶探测器虽然不是主角,但也不要小看它,它可以测量云层,大气颗粒等辅助信息,为了准确地反转二氧化碳浓度,消除干扰因素,带来很多意想不到的收益。

  碳卫星负载系统

  在项目可行性研究中,云和气溶胶探测器仅规划了0.38mm,0.67mm,0.87mm和1.64mm四个光谱通道。但是,随着地面应用系统的不断演示,希望仪器能增加1.375mm的探测通道,并在0.67m和1.64m波段实现0,60,120三个方向的极化测量。

  为了获得更丰富的科学数据,项目组成员克服困难,重新设计了仪器,根据应用系统的需要增加了相应的检测通道。

  照片显示了一个多波段云和气溶胶探测器的特写

  在添加探测通道后,利用极化信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特征提取气溶胶光学厚度。然后提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感,大气改正后的表面反射率,实现气溶胶同时反演和地表反射率。

  这不仅可以提供全球尺度的气溶胶数据,还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,为研究PM2.5等大气污染的成因提供重要数据。

  碳卫星研究小组

  用青年写一个绿色的使命

  2011年,碳卫星项目正式启动。鉴于该项目意义重大,技术指标高,发展周期紧张,中国科学院长春光学精密机械研究所采用天宫一号高光谱成像仪研究小组组建了一支科研队伍具有一定的工程经验和年轻的战斗力。项目启动时,共有32颗卫星负载研究小组,平均年龄小于33岁。其中,二氧化碳探测器负责人郑玉泉研究员39岁,CAPI探测器负责人延昌祥38岁。这是一个如此年轻的团队,打开了碳卫星有效载荷的发展之战。

  六年来,研究小组根据航天工程关键技术研究和实施的两个关键问题,冷静应对各种困难,开展工作。先后完成了两个负载的设计,原型样机的开发验证,初始负载开发,航空学校飞行测试等工作,突破了一系列关键技术。在这个突破的过程中,也团结了团队成员的不少努力。由于仪器的性能要求,当轨道器在轨时CO2探测器需要在零下20度的温度下工作。因此,仪器的所有组件都需要在零下20度的温度下组装。当室外温度上升到20℃时,安装队的几名年轻人需要在零下20度的光机安装的冷箱内穿厚厚的羽绒服,这项工作将持续到头2-3个月。

  主要负载,反正1平方米。当它穿着金色圣衣冲入宇宙时,承担了保护人类和控制温室气体排放的神圣使命。中国科学院长春光学研究所青年男子碳素卫星研制小组,也随着项目的建成进入三十年代。他们从头开始,实现技术突破;也赶上,肩负国际先进水平。他们正在碳电缆的过程中,用青年写一个科学研究的梦想!

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