二氧化碳是地球大气中最主要的温室气体成分之一，在全球气候变化中扮演重要角色。工业革命以来，由于煤和石油等化石能源的大规模使用，以及毁林、土地过度开发和开垦等人类活动，造成了全球温室气体排放量持续增加。

2016年12月22日3时22分，中国在酒泉卫星发射中心成功发射全球二氧化碳监测科学实验卫星。相关专家表示，这颗碳卫星将使中国初步形成针对重点地区乃至全球的大气二氧化碳浓度监测能力。对充分了解全球碳循环过程及其对全球气候变化的影响具有重要意义，可以提升中国在国际气候变化方面的话语权。

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告，由于人类活动的影响，主要温室气体二氧化碳和甲烷的浓度已经上升到2500万年以来的最高值，并依然呈上升趋势，地表温度也在逐年升高。温室效应正直接威胁着全人类的生存和发展。精确监视全球二氧化碳的排放状况已成为有效开展气候变化研究和应对的迫切需求。

本次发射的碳卫星作为中国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星，围绕全球气候变化这一当今国际社会普遍关心的全球性重大问题，以大气二氧化碳遥感监测为切入点，利用高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪等探测设备，通过地面数据接收、处理与验证系统，定期获取全球二氧化碳分布图，大气二氧化碳反演精度将优于4ppm（百万分比浓度），使中国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。

碳卫星是科技部为应对全球气候变化、提升中国全球二氧化碳监测能力部署的一项重大任务。通过863计划地球观测与导航技术领域“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目立项实施。由中科院国家空间科学中心负责工程总体；中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统，中科院长春光学精密机械与物理研究所研制有效载荷；中国气象局国家卫星气象中心负责地面数据接收处理与二氧化碳反演验证系统的研制、建设和运行。

负责本次发射任务的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院研制。此外，本次任务还搭载发射中科院微小卫星创新研究院自主安排研制的1颗高分辨率微纳卫星和2颗高光谱微纳卫星，有效载荷由中科院光电研究院研制。这是长征系列运载火箭的第243次飞行。

碳卫星如何做“神探”？

在目前的所有碳排放量监测手段中，只有星载高光谱温室气体探测技术，既能够实现对大气中二氧化碳等温室气体浓度的高精度探测，又能够获取全球各区域气体浓度分布数据。这是什么原理呢？

这是由于大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性。因为大气中的二氧化碳和氧分子只在特定颜色或波长吸收光能，抵达光谱仪的光线在那些特征波长会出现能量减弱。碳卫星通过精细测量其光谱吸收线，就可以反演出大气二氧化碳浓度。

具体说来就是，当光在大气中传播时会被大气部分吸收，利用空气中气体分子的窄带吸收特性可鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度推演出痕量气体的浓度。用卫星所载的高光谱二氧化碳探测仪来精准测量大气的吸收谱线，再通过地面应用系统一整套复杂的反演过程计算大气中的二氧化碳的总量，就可知道全球各个地区的碳排放情况。

中国碳卫星采用以下3种观测模式：

天底观测模式即竖着看，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测。其空间分辨率是最高的，但只有在当太阳天顶角满足设定要求时采用，卫星在海洋上空时，由于信噪比低，所以观测数据无法反演出二氧化碳浓度。

卫星在海洋上空时刻采用耀斑模式即斜着看，利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据。具体说来就是当太阳光被洋面镜面反射时，仪器指向最亮的反射区。采用这种模式可提供足够的信噪比，反演出高精度的二氧化碳浓度。

目标模式用于跟踪地面的特殊目标（如源排放区），在约9分钟的飞越目标区观测期间内，这一模式可提供对观测点的大量观测数据。

由于多种观测模式交互进行，所以碳卫星就要不断调整姿势，跳起“太空华尔兹”。这也被科研人员称为“跳着舞看”。

中国碳卫星达国际先进水平

中国即将发射的碳卫星全称叫“全球二氧化碳监测科学试验卫星”。它重620千克，在距地700千米的太阳同步轨道上运行，以大气二氧化碳遥感监测为切入点，通过两种科学探测仪器，即高光谱二氧化碳探测仪和起辅助作用的多谱段云/气溶胶探测仪，用于获取全球尤其是中国及其它重点地区大气中二氧化碳浓度分布图。

中国碳卫星探测精度达到1-4ppm，这一精度达到高光谱大气痕量气体探测方面的国际先进水平。卫星发射后，将能够对全国各个省份和城市的碳排放情况进行详细的监测和分析，进而清楚掌握重点省份和区域碳排放量，也将使中国初步具备全球二氧化碳浓度监测能力，拥有第一手的全球遥感二氧化碳数据。卫星每隔16天可完成一次地球二氧化碳测绘，能分辨地面2平方公里的二氧化碳浓度。卫星检测的数据发送给地面，经过解析和处理就能最终形成不同季节、不同地区碳排放情况的“体检报告”。

研制高光谱二氧化碳探测仪的难度极大，其关键技术是制造大口径高精度衍射光栅。它使用的衍射光栅同时要求大口径、高面型精度和高衍射效率，这在国内尚属首次研制。经过一年半的研发，科研人员研发出以碳化硅材料为基底的大口径衍射光栅。

此外，高可靠性长寿命指向反射镜的制造技术也十分关键。该指向镜须一镜两用，正反面均需要光学加工，一面是反射镜，另外一面是漫反射面，两面的加工不能相互干扰，也不能太厚，而且要可灵活转动。这个工艺也非常难，但科研人员最终还是如期攻克了难关。

使用多谱段云/气溶胶探测仪，卫星可以排除云和空气中气溶胶的影响，使二氧化碳监测数据更加准确。