全球变暖后的气候会如何变？降水重分，海面上升，冰川冻土一同消融，碳燃烧的每一缕烟都可能演化为煽动风暴的蝴蝶翅膀。
人类不想放过掐灭源头的机会。《巴黎气候变化协定》要求2028年完成一次全球碳盘点。2030年，我国计划实现“碳达峰”目标；2060年，我国计划实现“碳中和”愿景。国际社会逐步达成“温室气体减排是抑制全球增温最有效途径”的共识。
4月16日，长四丙火箭在太原卫星发射中心成功发射升空。这一次，搭乘金牌“太空专列”的是大气环境监测卫星（简称大气一号）。在705公里的太阳同步轨道上，重2600公斤的大气一号开始上岗工作，将大幅提升全球碳监测和大气污染大范围高精度监测能力，实现我国大气遥感技术跨越式发展。
跨了一步
大气一号有很多头衔，比如世界首颗二氧化碳激光探测卫星。
减碳，要先监碳。一般来讲，国际上惯用清单统计法量化碳排放情况。在该清单上，不同行业、不同的产品具有不同的排放因子。这是一种自下而上的清单统计法，不能将对碳的燃烧利用效率差异加入考量，使用一概而论的相同系数统计出来的二氧化碳排放量并不准确。虽然地面观测站可以实现连续高精度监测，但在海洋、偏远山区等地很难建站，覆盖范围有限。所以，通过卫星精确监测全球二氧化碳浓度，形成一张天地一体的监测网尤为必要。
“减哪里”“减多少”都是需要评估碳排放现状才能知道的答案。在判定减碳方向时，对碳排放的量化监测是指南针。很长一段时间里，这个指南针都握在别人的手里。
过去国际上监测二氧化碳排放主要依赖于美国的“轨道碳观测者”二号、“轨道碳观测者”三号、日本的“呼吸”号卫星。当我国科学家想要做碳排放相关研究时，既做不到自主控制实验区域，也拿不到有效实时数据；当国际社会出台各国碳排放情况分析报告时，我国因为缺少自主数据而无法对其进行验证。直到去年9月，我国发射高光谱观测卫星，这种被动的局面方有所改善，但还远远不够。
大气一号上线之前，国际上对碳排放情况采用的都是被动监测。所谓被动监测，就是使用有效载荷分析收到的反射光谱信息，从而判定碳排放程度，这一过程需要太阳光的参与。而大气一号由于搭载了激光雷达，摆脱了对太阳光的依赖，实现了全天时高精度的全球自主探测。
据大气一号总设计师朱维介绍，激光雷达从距地面705公里高度的轨道发射了两束波长非常接近的激光到地面，利用二氧化碳在这两个波长上的不同的吸收特性，进而采用差分的方法计算出从地面到大气层顶的二氧化碳柱浓度。
值得一提的是，二氧化碳主动探测的精度能够达到优于百万分之一，而被动探测的精度一般是优于百万分之四。
朱维透露，未来还计划发射大气二号卫星，即高精度温室气体综合探测卫星，最主要的任务是探测温室气体，包括二氧化碳、甲烷等，在一颗星上实现对温室气体的主被动联合探测，可以实现宽覆盖、高精度双优势，进一步提升我国天基碳监测能力水平。
不止于碳
大气一号的发射，标志着我国大气遥感技术实现了跨越式发展，一方面体现在该星实现了二氧化碳浓度的全天时高精度探测，另一方面体现在运用多种手段融合高精度立体监测细颗粒物。
对于第二个方面，朱维解释，国际上对PM2.5的探测多为被动探测，仅能测算出整个大气层的量有多少，没办法对不同高度的量进行区分。而近地面的颗粒物到底有多少恰恰是生态环境部门最关心的，这也直接关乎人们的身体健康。
大气一号运用激光雷达实现了主动探测，并且通过卫星搭载的其他载荷实现了对PM2.5的主被动探测，运用高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪两个载荷实现双偏振交火联合探测，区分粗细粒子，在提高了探测精度的同时也将探测结果进行垂直分层，从而把近地面细颗粒物的质量浓度算出来。
大气气溶胶会直接影响地气系统的辐射平衡，改变大气中云的微物理过程，从而改变云的辐射特性、云量和云的寿命，进而影响地气系统的辐射平衡，并进一步影响气候变化。
朱维介绍，此前，美国的CALIPSO卫星可以通过发射532纳米波长和1064纳米波长的激光实现主动探测气溶胶，这颗卫星也是国际上首次采用激光高光谱分辨探测技术测量全球云和气溶胶垂直剖面，可以获取更高精度垂直廓线信息。
朱维说，“大气一号功能多样且技术先进，一颗卫星就相当于其他国家几颗卫星。”大气一号还搭载宽幅成像光谱仪密切配合雷达工作，以多种通道协助雷达识别探测区域的地表特征，是水面、地表还是沙漠，一看便知。
不走坦途
大气一号副总指挥曹琼表示，在坚定实现大气监测目标的基础上，这颗卫星在论证时遇到第一个问题，便是考虑继续沿用技术成熟的被动探测方案还是走一条全新的主被动联合探测之路。
经过一再论证，被动探测的精度受限，若要追求更高精度，摆在眼前的只有一条主动探测的路，那就需要自研一台大气探测激光雷达。在国外，有CALIPSO卫星使用激光雷达主动探测气溶胶，但也没有用来探测二氧化碳的激光雷达。在国内，类似大气成分探测激光雷达没有前例，相应的基础数据极少。
“官方下载团队做了一个雷达的缩比样机，用飞机运着这个400多斤重的样机及地面设备，做了11个架次的校飞试验。8公里左右的试验高度，6个地面站点，几十套的仪器，近百人忙了两个多月。”曹琼说。
来自生态环境部卫星环境应用中心、国家卫星气象中心、中科院空天研究院、大气所等单位和武大、浙大、南信大、海大等国内知名院校的专家学者也参与其中，大家团结协作，验证了雷达探测技术体制，并获取了宝贵的数据，为后续反演应用打下坚实基础。
除雷达外，卫星团队花了近一年的时间去论证载荷的配置。在有限的承载力、功耗和尺寸约束下，合理搭配相应的有效载荷，最大限度地发挥整体效能，达到提升二氧化碳和细颗粒物等要素探测能力的效果。
“雷达发射激光，官方下载需要知道它打到哪里，因为激光存在多普勒效应，会降低20%的二氧化碳探测精度，于是官方下载制定了激光光轴在轨自标定系统，将这20%‘挽’了回来。”谈及卫星研发过程，朱维说，团队在雷达的光学基准板上装了一个高精度的星敏，作用就是测量出雷达光轴到底指向了哪里，然后算出指向的偏差并进行纠偏。
装一个高精度的星敏，看起来简单，但其中还有很多问题要解决。位于太阳同步轨道的大气一号，一天运行14圈，在每圈近100分钟的时间里，有接近60分钟处于高温区，有40分钟处于极低温区，热胀冷缩会使结构变形，从而影响测量精度。于是，一个实时、精密测量雷达光轴指向的星载系统成为刚需，而在整个卫星正样研制期间，长期监测雷达光轴指向的地面系统也必不可少。
为了实现高精度的探测，星上和地面的校正工作有很多，保证性能的验证试验也有很多，装一个高精度星敏只是开始。（文/任长胜 摄/陈俊 吴敬博）
