北京日?qǐng)?bào)客戶端 | 記者 王鴻良

8月4日，我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱碳星）“句芒”號(hào)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射，其主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)能吸收多少二氧化碳?！熬涿ⅰ笔?span id="sh4slgw" class="wpcom_tag_link">中國(guó)古代民間神話中的木神、春神、東方之神，主管樹(shù)木的發(fā)芽生長(zhǎng)，碳星取名“句芒”，意為它能監(jiān)測(cè)陸地森林和植被的碳匯水平。我們約請(qǐng)知名科普作者張?zhí)锟眮?lái)聊聊這顆衛(wèi)星工作的原理。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星模擬圖。（國(guó)家航天局供圖）

碳匯監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)里程碑式飛躍

森林能夠吸收并儲(chǔ)存二氧化碳，因而成為地球上一個(gè)巨大的碳庫(kù)。碳匯就是指森林吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的能力。過(guò)去，中國(guó)的碳匯測(cè)量主要依靠人工對(duì)森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測(cè)。

從森林面積上看，中國(guó)是世界上人工林面積最大的國(guó)家，人工林面積已達(dá)7954.28萬(wàn)公頃，具有較大的固碳能力。截至2020年年底，中國(guó)森林覆蓋率達(dá)到23.04%，森林蓄積量175億立方米。按照國(guó)家有關(guān)部署，到2025年，森林覆蓋率將達(dá)到24.1%，森林蓄積量達(dá)到180億立方米；到2030年，森林覆蓋率將達(dá)到25%左右，森林蓄積量達(dá)到190億立方米。未來(lái)隨著我國(guó)森林面積的增長(zhǎng)，森林這個(gè)碳庫(kù)的固碳能力還會(huì)增加。

對(duì)于中國(guó)如此巨大的森林碳庫(kù)，僅僅靠人工和抽樣監(jiān)測(cè)碳匯耗時(shí)曠日持久，效率和精準(zhǔn)度上也不盡如人意，難以勝任未來(lái)的碳匯監(jiān)測(cè)。現(xiàn)在，碳星的應(yīng)用標(biāo)志著中國(guó)碳匯監(jiān)測(cè)進(jìn)入天基遙感時(shí)代，無(wú)論從效率還是準(zhǔn)確度來(lái)看，與過(guò)去的傳統(tǒng)方式監(jiān)測(cè)相比，都是一個(gè)里程碑式的飛躍。

碳星“句芒”號(hào)由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院遙感衛(wèi)星總體部研制，是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星，能夠?qū)ι种脖簧锪?、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測(cè)量。這也意味著，中國(guó)的碳匯監(jiān)測(cè)已經(jīng)從地面走向空間，從平面走向立體，從局部走向全局，能為中國(guó)的碳中和、碳達(dá)峰提供更為精確的科學(xué)數(shù)據(jù)，也有利于完成中國(guó)的碳減排任務(wù)，為緩解氣候變化做出中國(guó)的貢獻(xiàn)。

遙感衛(wèi)星是如何進(jìn)行碳匯測(cè)量的呢？要計(jì)算森林碳匯能力，需要幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)，包括葉綠素?zé)晒?、植被高度、植被面積、大氣PM2.5含量等，而碳星配置的多種高精工具和儀器，能獲得這些方面的數(shù)據(jù)。因此，碳星也被稱為森林碳匯監(jiān)測(cè)的“專業(yè)之星”。

測(cè)量葉綠素?zé)晒馊〉脟?guó)際突破

通過(guò)對(duì)葉綠素的監(jiān)測(cè)能獲取比較真實(shí)的碳匯數(shù)據(jù)。植物中的葉綠素是完成光合作用的關(guān)鍵因素，在這個(gè)過(guò)程中需要吸收大量的二氧化碳。光合作用機(jī)制可簡(jiǎn)化為公式：二氧化碳+水+光能 能量-富含碳的分子+氧氣。

根據(jù)測(cè)算，地球植被和海洋植物、微生物等進(jìn)行的光合作用每年從大氣二氧化碳中固定1150億到1200億噸碳，其中600億噸來(lái)自陸地。2008年8月美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究指出，葉綠素D是吸收波長(zhǎng)700納米至750納米的近紅外線進(jìn)行光合作用的唯一色素，由此對(duì)地球上的碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響。研究估計(jì)，若將全球范圍內(nèi)葉綠素D吸收的二氧化碳換算成碳，每年可固碳約10億噸。

盡管不同研究以不同變量估算的葉綠素光合作用吸收大氣中的二氧化碳并因此而固定的碳量不同，但能夠確認(rèn)的是，通過(guò)監(jiān)測(cè)葉綠素的光合作用可以進(jìn)行碳匯監(jiān)測(cè)。而測(cè)量葉綠素吸收碳可以通過(guò)監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒鈦?lái)實(shí)現(xiàn)。

葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ。瑑H有約0.5%至2%以熒光的形式發(fā)射出來(lái)，因此在過(guò)去難以監(jiān)測(cè)。現(xiàn)在，中國(guó)研究人員為碳星“句芒”號(hào)配置了超光譜探測(cè)儀，并使用了光柵分光原理，能將光譜分辨率提高10倍，達(dá)到0.3納米的精細(xì)探測(cè)，這也是國(guó)際上的首次突破，能夠探測(cè)到人眼所看不到的太陽(yáng)光細(xì)微的明暗變化。

超光譜探測(cè)儀能將670納米至780納米這段光的顏色展分成1000多個(gè)漸變色彩，從而有效地尋找隱匿在某些漸變色角落里的葉綠素?zé)晒?。通過(guò)葉綠素?zé)晒飧呔戎茍D，可以監(jiān)測(cè)和計(jì)算陸地上森林和植被吸收的碳量。

精準(zhǔn)測(cè)量整片森林樹(shù)木高度

研究表明，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)所蘊(yùn)含的所有碳元素中，有大約62%至78%蘊(yùn)藏在森林這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)里，其中又有近7成蘊(yùn)藏在森林的土壤里。2020年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織《全球森林資源評(píng)估報(bào)告》指出，全球森林總碳儲(chǔ)量達(dá)到6620億噸，主要儲(chǔ)存在森林生物質(zhì)（約44%）、森林土壤（約45%）以及凋落物（約6%）和枯死木（約4%）中。

森林面積、森林的多樣性、樹(shù)木的茂密度和森林中樹(shù)木的高度決定了森林能吸收多少碳，而森林的多樣性取決于林木大小的多樣性，一般采用直徑、樹(shù)高和冠幅3個(gè)因素來(lái)衡量。僅以樹(shù)高而言，樹(shù)木越高，它下面和周?chē)纳锒鄻有栽截S富，森林固碳的能力越強(qiáng)，而且每棵樹(shù)木固存了多少碳也可以通過(guò)測(cè)量樹(shù)高和直徑大致計(jì)算出來(lái)。

“句芒”號(hào)配置了主動(dòng)探測(cè)的激光雷達(dá)和被動(dòng)探測(cè)的遙感相機(jī)，并集成到一臺(tái)載荷上。激光雷達(dá)通過(guò)點(diǎn)探測(cè)可獲得森林的垂直高度信息，遙感相機(jī)通過(guò)面探測(cè)獲取大范圍地面圖像。借助多波束激光雷達(dá)，“句芒”號(hào)通過(guò)計(jì)算激光到樹(shù)冠和地面的時(shí)間差計(jì)算樹(shù)木高度，衛(wèi)星一次測(cè)量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、發(fā)射頻次則決定測(cè)量精度。

由于衛(wèi)星軌道較高，大部分的激光能量會(huì)耗散在路上，因此要求激光發(fā)射系統(tǒng)向地面射出的激光能量必須足夠強(qiáng)、激光接收系統(tǒng)足夠靈敏，才能將微弱的回波信號(hào)從太陽(yáng)光等強(qiáng)噪聲里摘取出來(lái)。此外，激光發(fā)射和接收系統(tǒng)還必須精確對(duì)準(zhǔn)地面同一個(gè)目標(biāo)。

“句芒”號(hào)配置的激光雷達(dá)和遙感相機(jī)達(dá)到1秒發(fā)射測(cè)量激光200次，通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)所需的衛(wèi)星環(huán)境和硬件配置進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，克服散熱等難題，實(shí)現(xiàn)了測(cè)點(diǎn)間隔由千米級(jí)跨越到百米級(jí)，對(duì)樹(shù)木的測(cè)高精度大幅提升。

有了這樣的精度，就可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量整片森林樹(shù)木的高度，從而計(jì)算出國(guó)內(nèi)所有森林的固碳能力和數(shù)量。

立體觀測(cè)森林面積和茂密程度

僅僅測(cè)量森林中樹(shù)木的高度當(dāng)然不足以監(jiān)測(cè)碳匯，還必須測(cè)量森林面積和森林茂密程度，為此，中國(guó)研究人員為“句芒”號(hào)碳星設(shè)計(jì)安裝了5個(gè)多角度多光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地五個(gè)角度立體觀測(cè)，能獲得森林的總體概貌。

多角度多光譜相機(jī)可分別從垂直0 、 19 、 41 5個(gè)方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數(shù)據(jù)，從這些角度既能看清森林冠頂，還能看清森林側(cè)面，知道森林的疏密分布、健康、長(zhǎng)勢(shì)等情況。

森林的疏密和長(zhǎng)勢(shì)是其固碳能力的要素之一。一般森林據(jù)其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林，其中中齡林生態(tài)系統(tǒng)的固碳速度最大，成熟林和過(guò)熟林由于其生物量基本停止增長(zhǎng)，對(duì)碳的吸收與釋放基本平衡?！熬涿ⅰ碧?hào)可以從多角度看清森林，因此能知道森林是否由中齡林、近熟林等健康林木構(gòu)成，從而估算固碳能力和數(shù)量。

另外，分辨森林的健康程度還可以通過(guò)健康植被的紅邊波段反射率會(huì)大幅上升這一特點(diǎn)來(lái)判斷。碳星裝載的兩臺(tái)大角度觀測(cè)相機(jī)把全色譜段改為紅邊譜段，其余小角度觀測(cè)相機(jī)仍采用傳統(tǒng)可見(jiàn)光波段設(shè)置，由此能更加全面準(zhǔn)確地觀測(cè)植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲(chóng)害、生物量估算等，從而比較精準(zhǔn)地計(jì)算森林的碳匯。

森林生態(tài)系統(tǒng)植被固碳能力也隨地貌和坡度的變化而變化，體現(xiàn)為陡坡>急坡>斜坡>緩坡>平坡。森林的碳密度分布為陡坡最大，平坡最小，這是因?yàn)槎钙律种脖徊灰资艿饺说挠绊懚烫寄芰^高，平坡的森林植被比較容易受到人為干擾，固碳能力較低。碳星的多角度多光譜相機(jī)如果能拍攝到地貌隨坡度的變化，也就能較準(zhǔn)確地估算出不同森林的固碳量。

去除大氣污染對(duì)碳匯監(jiān)測(cè)干擾

無(wú)論是葉綠素，還是植被高度，以及森林面積和茂密程度的監(jiān)測(cè)，都可能受到空氣污染的干擾，從而影響“句芒”號(hào)監(jiān)測(cè)碳匯的準(zhǔn)確性。因此，“句芒”號(hào)還配置了一個(gè)多角度偏振成像儀，可以測(cè)量大氣里面氣溶膠的水平分布，進(jìn)行大氣校正，以獲得更高精度的測(cè)量結(jié)果。

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也即氣溶膠，這種細(xì)顆粒物的直徑還不到人頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。PM2.5主要來(lái)源于日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車(chē)尾氣排放等過(guò)程中經(jīng)過(guò)燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。有了多角度偏振成像儀，“句芒”號(hào)在獲取PM2.5的信息后，通過(guò)反演和校正，就能獲得更精準(zhǔn)的碳匯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

多角度偏振成像儀支持35個(gè)角度監(jiān)測(cè)大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。同時(shí)，“句芒”號(hào)上還增配了大氣激光雷達(dá)，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。縱橫交錯(cuò)收集的大氣數(shù)據(jù)結(jié)果可以將大氣中的PM2.5平面信息轉(zhuǎn)換為立體信息，以確保大氣校正更精準(zhǔn)。

碳星“句芒”號(hào)除了能進(jìn)行森林碳匯監(jiān)測(cè)外，還可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測(cè)繪、氣象、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)等領(lǐng)域，支撐作物評(píng)估、植物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急成像等。當(dāng)然，“句芒”號(hào)監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯還需要實(shí)踐檢驗(yàn)，未來(lái)可以靜候其佳音。

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