精確測量二氧化碳去向

“軌道碳觀測臺”（OCO）是NASA的地球系統(tǒng)科學探路計劃之一，用于從空間探測大氣中的二氧化碳。其實OCO并不是新項目，首顆衛(wèi)星在2009年發(fā)射時失敗。OCO-2計劃在7月發(fā)射，將對二氧化碳這種規(guī)模最大的人為溫室氣體進行更精確的全球測量。

如果發(fā)射成功，OCO-2將在至少兩年的時間里，每16天繪制一幅全球大氣二氧化碳圖。它的精度、分辨率和覆蓋范圍使人們可以第一次制作一幅完整的地區(qū)級二氧化碳地理分布圖和季節(jié)變化圖，用于描述人類活動和自然界的二氧化碳排放以及沉降，增強人們對自然和人為二氧化碳產(chǎn)生源的理解，以及二氧化碳排放對海洋、陸地和大氣的影響。

大氣中的二氧化碳的濃度取決于其來源的平衡，也就是排放和沉降。大自然大致上維持著這種平衡，但人類活動破壞了它。

工業(yè)革命發(fā)生前的10000年中，二氧化碳濃度只上升了不到1%。但從1751年到2003年，二氧化碳濃度上升了37%。人類活動所排放的二氧化碳，已經(jīng)使大氣中的碳總量增加了4660億噸。使用化石燃料和生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的二氧化碳占了其中的三分之二。陸地開發(fā)——主要是砍伐森林——占了其余部分。

目前，人類每年要排放300億噸二氧化碳，而且越來越多。實際上，在過去17年里，二氧化碳的總量增加了百萬分之三十，每年增加百萬分之二。由于二氧化碳這種溫室氣體的濃度正在上升，導致全球變暖和氣候變化，科學家們希望能更好地理解大氣中的二氧化碳的調(diào)節(jié)過程。

在1751～2003年人類活動排放的碳中，只有40%還存留在大氣中，其余60%被海洋和陸地吸收了。最近的統(tǒng)計表明，這些消失的碳有一半被海洋吸收了。其余的應該被吸收到了陸地的某處。不過科學家們并不知道陸地的哪些部分吸收的碳最多，它們的吸收過程是被什么因素控制的。

軌道碳觀測臺

增進對碳沉降的了解有助于預測未來二氧化碳增加，有助于更精確地預測二氧化碳對地球氣候的影響。

科學家們在全球建立了100個站點來檢測二氧化碳濃度。但這些站點組成的網(wǎng)絡無法實現(xiàn)地理空間全覆蓋，分辨率和采樣頻率也不足以確認自然沉降的具體作用。

OCO所測量到的數(shù)據(jù)可以和地面測量、航空測量、其他衛(wèi)星測量相結(jié)合，回答一些重要的問題，涉及大氣中二氧化碳的調(diào)節(jié)過程，及其在碳循環(huán)和氣候變化中的作用。這些信息可以幫助政治領導人和商界領袖更好地做出決策，以保持氣候穩(wěn)定、保持生活品質(zhì)。OCO也將為未來的長期運行二氧化碳觀測衛(wèi)星探索道路。OCO是史上第一個專門用于研究大氣中二氧化碳的科學衛(wèi)星。所獲取的數(shù)據(jù)將提供給大氣及碳循環(huán)研究界，用于完善全球碳循環(huán)模型，提高對大氣中二氧化碳總量的預測精度，提高全球氣候變化預測的精度。

OCO將從時間和空間上大幅度改善人們對二氧化碳的觀測，對陸地和海洋進行統(tǒng)一采樣。科學家們希望OCO能回答以下問題：

人類排放的二氧化碳是如何被大自然吸收的？

這一機理會使大氣中的二氧化碳繼續(xù)增加？還是加快二氧化碳的增加？還是會減慢甚至逆轉(zhuǎn)？

陸地和海洋，哪個吸收二氧化碳更多？各自吸收了多少？哪片大陸吸收得最多？

為什么有時候同樣的排放量在不同的年份會導致二氧化碳的增加量不同?

二氧化碳的沉降會因為氣候或土地利用的變化而變化嗎?

二氧化碳在大氣中的增加率取決于什么?

二氧化碳的來源是什么?包括化石燃料燃燒和其他未能充分理解之二氧化碳來源的地理分布和數(shù)量是什么？例如海洋排氣、森林退化、火災和生物質(zhì)燃燒？這些來源的分布是如何隨時間變化的？

OCO-2由NASA噴氣推進實驗室主管，計劃在范登堡空軍基地用“米諾陶”XL火箭發(fā)射，運行在705千米高的近極軌道上，軌道周期為98.8分。

OCO攜帶了3臺彼此平行的高分辨率近紅外頻譜儀，安裝在一個通用結(jié)構上，并通過同一個通用鏡頭工作。3臺頻譜儀對地表同一個位置受陽光照射位置的二氧化碳和分子氧吸收進行同步測量。

當陽光照射在地球大氣上，大氣中不同的氣體分子會吸收掉特定頻段的光線。3臺頻譜儀用來測量特定頻段的光吸收。某個頻段上吸收掉的光線越多，就說明這種分子的數(shù)量越多。OCO的頻譜儀精度非常高，可以精確計算出觀測方向上的各種分子數(shù)量。也就是說，在它的觀測方向上，從大氣頂部直到地表的路徑上，有多少二氧化碳分子、有多少氧分子，都可以被清楚地計算出來。

頻譜儀每秒鐘測量三次，這樣，當衛(wèi)星飛過不同位置的大氣上空，就可以把星下的二氧化碳含量用圖像方式表達出來。圖像發(fā)回地面后，可以把二氧化碳濃度以4種不同的印記復現(xiàn)。通過全球運動模型，可以分析出二氧化碳的來源和沉降。

軌道碳觀測臺概念圖

鏡頭裝在衛(wèi)星的側(cè)面，從地球大氣反射而來的陽光聚焦到焦平面陣上，然后進入光學轉(zhuǎn)換組件，保證3臺頻譜儀能看到同一幅圖像。然后用分光計把光線分成特定的頻段，重新匯聚成波束，進入頻譜儀的狹縫入口。

進入頻譜儀狹縫后，光線被衍射柵格分成彩色分量，然后通過相機鏡頭重新聚焦到焦平面陣上。在這里，不同的頻段就可以清晰地分辨開來，形成兩維的頻段圖并記錄下來。

OCO通過兩個頻段分析二氧化碳的吸收。第一個頻段的吸收比較微弱，但對接近地表部分的二氧化碳濃度變化最為敏感；第二個頻段吸收較強，可以用來對大氣中的二氧化碳做完全獨立的測量。第二個頻段可以揭示光線被吸收的圖景，可以檢出云、氣溶膠和氣壓、濕度的變化，這些都會干擾對二氧化碳的精確測量。

2009年，第一顆軌道碳觀測臺衛(wèi)星發(fā)射失敗

其實OCO還有第三個觀測頻段，位于氧分子的頻段內(nèi)。這是用來測量光線傳播路徑上有多少氧分子。氧氣的濃度是恒定、一致的，在大氣中均勻分布。測得氧分子數(shù)量，就可以用來與二氧化碳分子數(shù)量進行對比，以精確地測出二氧化碳濃度。氧分子數(shù)量還可以用來測算云、氣溶膠和地表氣壓的影響。

OCO每秒進行12次探測。每圈軌道就可以進行22500～35500次探測。每次探測的地面覆蓋面積大概是3平方千米。在16天的重訪周期內(nèi)可以實施800萬次探測，OCO主要有3種工作模式：星下點式、反射式和目標跟蹤式。

在星下點模式下，衛(wèi)星垂直觀測地面。這種模式可以獲得最高的空間分辨率，在有云或地形較為復雜的區(qū)域可以獲得更多有用的數(shù)據(jù)。但對黑暗的海面或積雪區(qū)域并不適用。

反射模式下，衛(wèi)星對準地球表面上陽光反射最強烈的地區(qū)。反射模式的信號100倍于星下點模式，能改善對黑暗海面的觀測。

目標跟蹤模式主要用來同地面校準站校準，飛越指定地點上空時持續(xù)觀測這里。

OCO將交替使用星下點模式和反射模式，每個軌道周期使用一種。這樣它就能用一個月時間獲得每種模式下的全球圖像。而每天都可以實施一次目標跟蹤模式觀測來校正數(shù)據(jù)。