温室气体“千里眼”将迎“小考”

大年初三过后，中国科学院上海技术物理研究所的实验室里，人气就和寻常日子差不多了。

 

-120℃、直径2米的低温真空球，模拟着太空的恶劣环境，考验着全球首台宽幅高光谱温室气体成像监测仪。一旁，天基碳监测突击队的科研人员正紧张地盯着密密麻麻的参数。大伙儿正将4000余个光谱的数据量变成大气中各气体成分的实际物理量。这个工作量不小，得忙一阵了。

 

项目负责人杨溢，80后，上海人，这几年春节几乎都没完整过过。“任务需要，这个春节卡在时间节点上了。大家轮流歇，研制不停。”她说得云淡风轻。

 

“看清”更多温室气体

 

碳达峰，深入人心。可做得怎么样，得用科学数据来说话。“从天上往地面看气候变化”，上海技术物理研究所走在了前面，从2008年起就率先开展天基温室气体监测技术的预先研究。

 

天上飞着的碳卫星，有好几位不同国家的“前辈”了。高光谱温室气体监测仪，又“炼就”了哪些不一样的绝活？以我国2016年12月发射的全球二氧化碳监测科学实验卫星为例，它通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。上海技术物理研究所所长、仪器主任设计师丁雷说，温室气体可不止二氧化碳，还有水汽、甲烷、氧化亚氮等。“看”水是“基本功”，“看”二氧化碳是“进阶本领”，各有千秋，而“看”甲烷可是“头一遭”，自然难得多。

 

“要利用宽谱段高光谱方式来对地观测，这就要求监测仪能‘看到’的色彩更丰富、有更多细节，同时还要看得更远。”丁雷介绍。国际上同类仪器的视场幅宽普遍为10多公里，天基碳监测突击队却直接添了个零，要“看”100公里，“能有效缩短对全球和敏感地区的探测周期。”看得广还看得远，数据量随之增多，信息处理难度也陡增。

 

记者了解到，全球首台宽幅高光谱温室气体监测仪样机已完成研制。相比国际上同类载荷性能指标，其光学总视场角增加7.3倍左右，光谱分辨率提升一倍，光谱采样率提升50%，信噪比提升30%。

 

破解“既要又要”难题

 

和照相机定格山川河流不一样，探测仪“看到”的是“虚”的，太阳高度角、风速、阴天晴天，都会对“所见”造成变化。科研人员获取的数据，得和大气成分做物理上的反演建立起稳定的数学关系。“我们要把温室气体反演精度提高至1ppm，通俗讲就是，当大气中某一温室气体含量变化超过百万分之一时，监测仪就能发现。”丁雷解释。

 

天基温室气体监测技术，在上海技术物理研究所，接力棒已在四届博士生手中传递过。这支数十人组成的攻关团队，年龄跨度覆盖了“60后”到“00后”，载荷不知更新迭代了多少回。

 

光学副主任设计师成龙从攻读博士学位起就瞄准了这项技术，已在所里奋斗快十年了，“我很幸运能参与国家需要的前沿项目研究”。

 

拿探测仪的“体重”来说，为满足科研需求，最初的设计直奔600公斤，可卫星上天也有“承重量”，对探测仪来说是个“既要又要”的难题——得轻些，稳定性还不能降低要求，这可是个无先例可循的创新活儿。机械副主任设计师雷松涛费尽心思，不同零件用上满足各自要求的复合材料，总算“减重”到了300公斤，“在不同温度、重力环境下，载荷的结构形变不能超过微米级”。

 

团队要“两条腿走路”

 

“根据科研任务的安排，研发的温室气体监测仪马上迎来阶段验收。春节期间，恰好要在真空环境中联合测试。”综合电子学主任设计师张冬冬没觉得假期工作有什么大不了的，“测试需要24小时有人盯着，大家轮流过节，设备不歇。家住甘肃、贵州的科研人员，过了年初三也都陆续回来了”。

 

一头，在紧锣密鼓地开展宽幅高光谱温室气体监测仪的装校和定标实验，为三月到来的“小考”做好准备；另一头，一台新的载荷也在春节期间“上马”。团队要“两条腿走路”，还得走得快而稳。

 

“甲烷在平流层和对流层，可能会和不同成分发生反应。若把它作为一个科学问题看待，有很多环节缠绕在一起，以目前的技术手段，较难全面探测。”丁雷展望说，“未来天基温室气体监测必然朝着更多要素、更广范围发展。我们现在看到的是柱状浓度，今后希望能像CT一样，得到温室气体在大气中的垂直分布信息。”