京日报客户端 | 记者 王鸿良
8月4日，我国陆地生态系统碳监测卫星（简称碳星）“句芒”号在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射，其主要任务是监测陆地生态系统能吸收多少二氧化碳。“句芒”是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木的发芽生长，碳星取名“句芒”，意为它能监测陆地森林和植被的碳汇水平。我们约请知名科普作者张田勘来聊聊这颗卫星工作的原理。
陆地生态系统碳监测卫星模拟图。（国家航天局供图）
碳汇监测实现里程碑式飞跃
森林能够吸收并储存二氧化碳，因而成为地球上一个巨大的碳库。碳汇就是指森林吸收并储存二氧化碳的能力。过去，中国的碳汇测量主要依靠人工对森林植被进行抽样监测。
从森林面积上看，中国是世界上人工林面积最大的国家，人工林面积已达7954.28万公顷，具有较大的固碳能力。截至2020年年底，中国森林覆盖率达到23.04%，森林蓄积量175亿立方米。按照国家有关部署，到2025年，森林覆盖率将达到24.1%，森林蓄积量达到180亿立方米；到2030年，森林覆盖率将达到25%左右，森林蓄积量达到190亿立方米。未来随着我国森林面积的增长，森林这个碳库的固碳能力还会增加。
对于中国如此巨大的森林碳库，仅仅靠人工和抽样监测碳汇耗时旷日持久，效率和精准度上也不尽如人意，难以胜任未来的碳汇监测。现在，碳星的应用标志着中国碳汇监测进入天基遥感时代，无论从效率还是准确度来看，与过去的传统方式监测相比，都是一个里程碑式的飞跃。
碳星“句芒”号由中国航天科技集团五院遥感卫星总体部研制，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量。这也意味着，中国的碳汇监测已经从地面走向空间，从平面走向立体，从局部走向全局，能为中国的碳中和、碳达峰提供更为精确的科学数据，也有利于完成中国的碳减排任务，为缓解气候变化做出中国的贡献。
遥感卫星是如何进行碳汇测量的呢？要计算森林碳汇能力，需要几个方面的数据，包括叶绿素荧光、植被高度、植被面积、大气PM2.5含量等，而碳星配置的多种高精工具和仪器，能获得这些方面的数据。因此，碳星也被称为森林碳汇监测的“专业之星”。
测量叶绿素荧光取得国际突破
通过对叶绿素的监测能获取比较真实的碳汇数据。植物中的叶绿素是完成光合作用的关键因素，在这个过程中需要吸收大量的二氧化碳。光合作用机制可简化为公式：二氧化碳+水+光能→能量-富含碳的分子+氧气。
根据测算，地球植被和海洋植物、微生物等进行的光合作用每年从大气二氧化碳中固定1150亿到1200亿吨碳，其中600亿吨来自陆地。2008年8月美国《科学》杂志发表的一项研究指出，叶绿素D是吸收波长700纳米至750纳米的近红外线进行光合作用的唯一色素，由此对地球上的碳循环产生重要影响。研究估计，若将全球范围内叶绿素D吸收的二氧化碳换算成碳，每年可固碳约10亿吨。
尽管不同研究以不同变量估算的叶绿素光合作用吸收大气中的二氧化碳并因此而固定的碳量不同，但能够确认的是，通过监测叶绿素的光合作用可以进行碳汇监测。而测量叶绿素吸收碳可以通过监测叶绿素荧光来实现。
叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%至2%以荧光的形式发射出来，因此在过去难以监测。现在，中国研究人员为碳星“句芒”号配置了超光谱探测仪，并使用了光栅分光原理，能将光谱分辨率提高10倍，达到0.3纳米的精细探测，这也是国际上的首次突破，能够探测到人眼所看不到的太阳光细微的明暗变化。
超光谱探测仪能将670纳米至780纳米这段光的颜色展分成1000多个渐变色彩，从而有效地寻找隐匿在某些渐变色角落里的叶绿素荧光。通过叶绿素荧光高精度制图，可以监测和计算陆地上森林和植被吸收的碳量。
精准测量整片森林树木高度
研究表明，全球陆地生态系统所蕴含的所有碳元素中，有大约62%至78%蕴藏在森林这个复杂系统里，其中又有近7成蕴藏在森林的土壤里。2020年联合国粮农组织《全球森林资源评估报告》指出，全球森林总碳储量达到6620亿吨，主要储存在森林生物质（约44%）、森林土壤（约45%）以及凋落物（约6%）和枯死木（约4%）中。
森林面积、森林的多样性、树木的茂密度和森林中树木的高度决定了森林能吸收多少碳，而森林的多样性取决于林木大小的多样性，一般采用直径、树高和冠幅3个因素来衡量。仅以树高而言，树木越高，它下面和周围的生物多样性越丰富，森林固碳的能力越强，而且每棵树木固存了多少碳也可以通过测量树高和直径大致计算出来。
“句芒”号配置了主动探测的激光雷达和被动探测的遥感相机，并集成到一台载荷上。激光雷达通过点探测可获得森林的垂直高度信息，遥感相机通过面探测获取大范围地面图像。借助多波束激光雷达，“句芒”号通过计算激光到树冠和地面的时间差计算树木高度，卫星一次测量发射出激光的光束数量、发射频次则决定测量精度。
由于卫星轨道较高，大部分的激光能量会耗散在路上，因此要求激光发射系统向地面射出的激光能量必须足够强、激光接收系统足够灵敏，才能将微弱的回波信号从太阳光等强噪声里摘取出来。此外，激光发射和接收系统还必须精确对准地面同一个目标。
“句芒”号配置的激光雷达和遥感相机达到1秒发射测量激光200次，通过对激光雷达所需的卫星环境和硬件配置进行适应性设计，克服散热等难题，实现了测点间隔由千米级跨越到百米级，对树木的测高精度大幅提升。
有了这样的精度，就可以较为准确地测量整片森林树木的高度，从而计算出国内所有森林的固碳能力和数量。
立体观测森林面积和茂密程度
仅仅测量森林中树木的高度当然不足以监测碳汇，还必须测量森林面积和森林茂密程度，为此，中国研究人员为“句芒”号碳星设计安装了5个多角度多光谱相机，实现对地五个角度立体观测，能获得森林的总体概貌。
多角度多光谱相机可分别从垂直0°、±19°、±41°5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据，从这些角度既能看清森林冠顶，还能看清森林侧面，知道森林的疏密分布、健康、长势等情况。
森林的疏密和长势是其固碳能力的要素之一。一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林，其中中龄林生态系统的固碳速度最大，成熟林和过熟林由于其生物量基本停止增长，对碳的吸收与释放基本平衡。“句芒”号可以从多角度看清森林，因此能知道森林是否由中龄林、近熟林等健康林木构成，从而估算固碳能力和数量。
另外，分辨森林的健康程度还可以通过健康植被的红边波段反射率会大幅上升这一特点来判断。碳星装载的两台大角度观测相机把全色谱段改为红边谱段，其余小角度观测相机仍采用传统可见光波段设置，由此能更加全面准确地观测植物氮素含量、叶绿素含量、病虫害、生物量估算等，从而比较精准地计算森林的碳汇。
森林生态系统植被固碳能力也随地貌和坡度的变化而变化，体现为陡坡>急坡>斜坡>缓坡>平坡。森林的碳密度分布为陡坡最大，平坡最小，这是因为陡坡森林植被不易受到人的影响而固碳能力较高，平坡的森林植被比较容易受到人为干扰，固碳能力较低。碳星的多角度多光谱相机如果能拍摄到地貌随坡度的变化，也就能较准确地估算出不同森林的固碳量。
去除大气污染对碳汇监测干扰
无论是叶绿素，还是植被高度，以及森林面积和茂密程度的监测，都可能受到空气污染的干扰，从而影响“句芒”号监测碳汇的准确性。因此，“句芒”号还配置了一个多角度偏振成像仪，可以测量大气里面气溶胶的水平分布，进行大气校正，以获得更高精度的测量结果。
PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也即气溶胶，这种细颗粒物的直径还不到人头发丝粗细的1/20。PM2.5主要来源于日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。有了多角度偏振成像仪，“句芒”号在获取PM2.5的信息后，通过反演和校正，就能获得更精准的碳汇监测数据。
多角度偏振成像仪支持35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。同时，“句芒”号上还增配了大气激光雷达，用于获取大气纵向PM2.5含量信息。纵横交错收集的大气数据结果可以将大气中的PM2.5平面信息转换为立体信息，以确保大气校正更精准。
碳星“句芒”号除了能进行森林碳汇监测外，还可广泛应用于环保、测绘、气象、农业、减灾等领域，支撑作物评估、植物病虫害监测、灾害应急成像等。当然，“句芒”号监测陆地生态系统碳汇还需要实践检验，未来可以静候其佳音。
图片来自视觉中国
不久前举行的第十四届中国国际航空航天博览会上，在太空中进行在轨测试的陆地生态系统碳监测卫星（以下简称“碳星”），以模型形式与公众见面。
由中国航天科技集团五院（以下简称五院）遥感卫星总体部抓总研制的“碳星”，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测遥感卫星，它将使我国碳汇监测进入天基遥感时代。
“党的二十大报告提出，到2035年广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现。”五院遥感卫星总体部卫星总设计师曹海翊对科技日报记者说，“我们的‘碳星’，就是森林碳汇监测的一把好手，通过监测森林的固碳能力，来监测我国‘碳达峰、碳中和’目标的完成情况，服务美丽中国目标的实现。”
为了将碳汇监测系统搬上太空，五院研制团队历经10年攻关，实现多项创新。
紧扣时代脉搏造“碳星”
2012年11月，党的十八大报告提出“努力建设美丽中国”。曹海翊陷入了思考：“如果我们能研制一颗观测绿水青山的卫星，那也是为建设美丽中国作贡献了。”
正巧那一年五院拿到“星载激光雷达总体技术”课题。激光雷达是卫星用来测量与地面物体距离的重要手段之一，项目团队决定攻克激光雷达测量森林高度难题，为中国研制首颗林业遥感卫星。
为了做足功课，曹海翊带着项目团队赴国家林业和草原局、中国林业科学院、东北林业大学等单位学习研究林业知识。一番“求学”下来，她发现，林业遥感的需求不仅仅是给大树量身高那么简单。
当时，碳汇概念已经流行，这是衡量森林固碳能力的重要指标。我国碳汇监测需要森林调查员跋山涉水，深入山林中实地进行树高和树木胸径测量，耗时耗力不说，还受到各种环境限制。
曹海翊认为，可以用天基遥感手段解决这个问题。
经过近两年深入研究，研制团队提出“激光器+相机”的主被动联合观测方案雏形，计划将光学遥感卫星的影像特长与激光雷达测高技术相结合，帮助我国林业部门实现碳汇监测跨越升级。
2015年，“美丽中国建设”被纳入我国“十三五”规划。同年，“碳星”正式启动研制。
“这颗卫星的研制是紧扣着时代脉搏跳动的。”五院遥感卫星总体部卫星总指挥王祥说。
用匠心打造精品
对星载激光雷达，研制团队有一定技术经验。在曹海翊作为总设计师、当时正在研制的资源三号02星和高分七号卫星上，均搭载了激光测高仪载荷。但“碳星”多波束激光雷达的配置指标面临着更高要求。
五院“碳星”总体主任设计师黄缙举例说：“激光脉冲的发射频次，在其他卫星上是每秒钟打几个点。而森林树高参差不齐，测点密度越高，测量数据就越全面精确。”
研制团队通过计算不同测点密度下的数据反演精度，经过近半年仿真分析，确定了5波束40赫兹重频的激光雷达方案。也就是说，“碳星”的激光雷达载荷共有5个测距激光器，每个激光器的发射频次达每秒40次，共具备每秒发射测量激光200次的能力。“这相当于把我国星载激光雷达的指标提升了一代。”黄缙说。
如何让相机在碳汇监测中最大化发挥作用，也是新问题。
“如果用传统卫星遥感方式去俯视，只能看到一棵树的面积。而如果沿着卫星运行轨迹从不同角度观测，则可以看出这棵树的体积、冠幅的几何形态，并探测它的反射特性，推算其茂密程度。”曹海翊说。
因此，研制团队将相机方案定为“多角度、多光谱”遥感相机，并通过近一年的成像仿真实验，确定了0°、±19°、±41°共5个角度，能够使大气对于观测图像质量的影响最小化，同时满足现阶段林业遥感观测需求。
此后，研制团队又从总体设计上提出新增超光谱探测仪和多角度偏振成像仪，用于探测叶绿素荧光和大气气溶胶。
曹海翊介绍说，“碳星”集多种载荷于一身，在同一时刻、同一位置开展观测，数据相互的耦合度更好，观测结果更真实准确，这样的效果是多颗单一载荷卫星难以比拟的。
从“纸上开花”到“落地生根”
2017年，“碳星”的研制终于从“纸上开花”到“落地生根”——卫星正式批复立项。
进入工程化研制阶段的“碳星”，面临的首要问题却是“减肥”。4种载荷虽然让它拥有强大的功能，但也使它“超重”了100公斤，超出了火箭运载能力。
卫星上每个零件都有用，怎么减？研制团队用了“狠招”。黄缙说，当时大家把载荷全部拆散，变成零部件逐一称重，列出长长的清单，然后跟同类零件对比，看更换零件或采用轻量化材料能减轻多少。在结构方面，研制团队对卫星布局进行了调整优化，一些附属结构能共用就共用、能省掉就省掉。
终于，他们在确保应用效果的前提下，帮助“碳星”顺利通过“体重关”，甚至在发射时，火箭还能顺便搭载2颗小卫星。
复杂的载荷也给卫星热控设计带来了麻烦。“碳星”的多波束激光雷达是目前功耗最大的星载激光器组合体，最大功率达1600多瓦，但需要维持在20℃左右的工作环境，常规散热方式无法满足。
同时，“碳星”围绕地球南北两极运行，约90分钟飞一圈，其中有60分钟在“阳照区”、30分钟在“阴影区”，这使其表面在一个半小时内最大温差达到±90℃。而在它内部，载荷要发挥最佳性能，温度变化需控制在0.5℃以内。
既要给“碳星”“穿棉袄”，又要为它“装空调”，研制团队为此煞费苦心。通过一系列创新设计，他们终于攻克了这些难题。
如果说，此前我国遥感卫星是“看”地面、描述地面，“碳星”则实现了更深刻地描述物体物理属性。“这是遥感卫星从几何特性定量化探测向辐射特性定量化探测的跨越。”谈起“碳星”的意义，曹海翊自豪地说，“它不仅能服务于美丽中国建设，还将为我国在‘双碳’战略中获得更多话语权提供支撑！”（付毅飞）
来源： 科技日报
不久前举行的第十四届中国国际航空航天博览会上，在太空中进行在轨测试的陆地生态系统碳监测卫星（以下简称“碳星”），以模型形式与公众见面。
由中国航天科技集团五院（以下简称五院）遥感卫星总体部抓总研制的“碳星”，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测遥感卫星，它将使我国碳汇监测进入天基遥感时代。
“党的二十大报告提出，到2035年广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现。”五院遥感卫星总体部卫星总设计师曹海翊对科技日报记者说，“我们的‘碳星’，就是森林碳汇监测的一把好手，通过监测森林的固碳能力，来监测我国‘碳达峰、碳中和’目标的完成情况，服务美丽中国目标的实现。”
为了将碳汇监测系统搬上太空，五院研制团队历经10年攻关，实现多项创新。
紧扣时代脉搏造“碳星”
2012年11月，党的十八大报告提出“努力建设美丽中国”。曹海翊陷入了思考：“如果我们能研制一颗观测绿水青山的卫星，那也是为建设美丽中国作贡献了。”
正巧那一年五院拿到“星载激光雷达总体技术”课题。激光雷达是卫星用来测量与地面物体距离的重要手段之一，项目团队决定攻克激光雷达测量森林高度难题，为中国研制首颗林业遥感卫星。
为了做足功课，曹海翊带着项目团队赴国家林业和草原局、中国林业科学院、东北林业大学等单位学习研究林业知识。一番“求学”下来，她发现，林业遥感的需求不仅仅是给大树量身高那么简单。
当时，碳汇概念已经流行，这是衡量森林固碳能力的重要指标。我国碳汇监测需要森林调查员跋山涉水，深入山林中实地进行树高和树木胸径测量，耗时耗力不说，还受到各种环境限制。
曹海翊认为，可以用天基遥感手段解决这个问题。
经过近两年深入研究，研制团队提出“激光器+相机”的主被动联合观测方案雏形，计划将光学遥感卫星的影像特长与激光雷达测高技术相结合，帮助我国林业部门实现碳汇监测跨越升级。
2015年，“美丽中国建设”被纳入我国“十三五”规划。同年，“碳星”正式启动研制。
“这颗卫星的研制是紧扣着时代脉搏跳动的。”五院遥感卫星总体部卫星总指挥王祥说。
用匠心打造精品
对星载激光雷达，研制团队有一定技术经验。在曹海翊作为总设计师、当时正在研制的资源三号02星和高分七号卫星上，均搭载了激光测高仪载荷。但“碳星”多波束激光雷达的配置指标面临着更高要求。
五院“碳星”总体主任设计师黄缙举例说：“激光脉冲的发射频次，在其他卫星上是每秒钟打几个点。而森林树高参差不齐，测点密度越高，测量数据就越全面精确。”
研制团队通过计算不同测点密度下的数据反演精度，经过近半年仿真分析，确定了5波束40赫兹重频的激光雷达方案。也就是说，“碳星”的激光雷达载荷共有5个测距激光器，每个激光器的发射频次达每秒40次，共具备每秒发射测量激光200次的能力。“这相当于把我国星载激光雷达的指标提升了一代。”黄缙说。
如何让相机在碳汇监测中最大化发挥作用，也是新问题。
“如果用传统卫星遥感方式去俯视，只能看到一棵树的面积。而如果沿着卫星运行轨迹从不同角度观测，则可以看出这棵树的体积、冠幅的几何形态，并探测它的反射特性，推算其茂密程度。”曹海翊说。
因此，研制团队将相机方案定为“多角度、多光谱”遥感相机，并通过近一年的成像仿真实验，确定了0°、±19°、±41°共5个角度，能够使大气对于观测图像质量的影响最小化，同时满足现阶段林业遥感观测需求。
此后，研制团队又从总体设计上提出新增超光谱探测仪和多角度偏振成像仪，用于探测叶绿素荧光和大气气溶胶。
曹海翊介绍说，“碳星”集多种载荷于一身，在同一时刻、同一位置开展观测，数据相互的耦合度更好，观测结果更真实准确，这样的效果是多颗单一载荷卫星难以比拟的。
从“纸上开花”到“落地生根”
2017年，“碳星”的研制终于从“纸上开花”到“落地生根”——卫星正式批复立项。
进入工程化研制阶段的“碳星”，面临的首要问题却是“减肥”。4种载荷虽然让它拥有强大的功能，但也使它“超重”了100公斤，超出了火箭运载能力。
卫星上每个零件都有用，怎么减？研制团队用了“狠招”。黄缙说，当时大家把载荷全部拆散，变成零部件逐一称重，列出长长的清单，然后跟同类零件对比，看更换零件或采用轻量化材料能减轻多少。在结构方面，研制团队对卫星布局进行了调整优化，一些附属结构能共用就共用、能省掉就省掉。
终于，他们在确保应用效果的前提下，帮助“碳星”顺利通过“体重关”，甚至在发射时，火箭还能顺便搭载2颗小卫星。
复杂的载荷也给卫星热控设计带来了麻烦。“碳星”的多波束激光雷达是目前功耗最大的星载激光器组合体，最大功率达1600多瓦，但需要维持在20℃左右的工作环境，常规散热方式无法满足。
同时，“碳星”围绕地球南北两极运行，约90分钟飞一圈，其中有60分钟在“阳照区”、30分钟在“阴影区”，这使其表面在一个半小时内最大温差达到±90℃。而在它内部，载荷要发挥最佳性能，温度变化需控制在0.5℃以内。
既要给“碳星”“穿棉袄”，又要为它“装空调”，研制团队为此煞费苦心。通过一系列创新设计，他们终于攻克了这些难题。
如果说，此前我国遥感卫星是“看”地面、描述地面，“碳星”则实现了更深刻地描述物体物理属性。“这是遥感卫星从几何特性定量化探测向辐射特性定量化探测的跨越。”谈起“碳星”的意义，曹海翊自豪地说，“它不仅能服务于美丽中国建设，还将为我国在‘双碳’战略中获得更多话语权提供支撑！”（付毅飞）
来源： 科技日报
