碳卫星 | 地球发烧了？别怕，咱有体温计！
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今年9月的杭州峰会，我国倡议二十国集团(G20)发表首份气候变化问题主席声明，率先签署《巴黎协定》，代表中国政府向全球作出庄严承诺。
《巴黎协定》为什么宁可牺牲经济发展，也要设定温室气体减排的目标，这都是温室气体惹的祸，地球自人类工业化革命之后在持续“发烧”！
第一
谁是地球温度不断升高的罪魁祸首？
地球大气的温度正在不断升高，其罪魁祸首被科学家锁定为以大气中二氧化碳为代表的一类气体，它们让太阳加热地球的短波辐射轻易进入，却将地球向外散热的长波辐射反射回地球，因此热量易进难出，就像栽培植物的温室一样。这种效应被形象地称为“温室效应”，二氧化碳这些气体就被称为“温室气体”。
二氧化碳气体原本是自然界中的固有成分，地球形成时大气中就有二氧化碳了，为什么我们现在却对它“嫉恶如仇”？原因在于，工业革命以来，科学家研究发现大气中的二氧化碳一直在增加，且增加的值超过了40万年来的正常“波动“范围。
40万的大气二氧化碳浓度记录
第二
那么这些微量的增加是从何而来？
科学家们研究得出结论：在过去的50年中，因为人类社会经济的发展，每年化石燃料燃烧产生的300亿吨CO2中大约有一半会留在大气层中，另外一般通常认为被海洋和植物吸收了，但是科学家并不能确定这些CO2最后去了哪里，以什么样的形式消失，其中的具体机理又是怎样的。其实这些科学问题至今还悬而未决。
大气二氧化碳排放和吸收示意图
第三
为什么人类无法完全透彻的认识二氧化碳？
主要原因就是我们对大气二氧化碳气体的变化规律掌握的还不够详尽因为从上个世纪60年代开始，全球范围就陆续在地面建设观测站开展大气二氧化碳的观测，其中最著名的就是美国夏威夷的观测站，从建立观测开始至今已经积累了半个多世纪的数据记录。
美国夏威夷观测站从50年代开始实际监测，20世纪后30年，每年CO2增幅1%-2%， CO2每年的增加量约为2ppm
但是二氧化碳是一种长寿命的化学物质，会长时间地停留在大气中，然后随着大气运动在全球传输扩散。可是至今，全球只有200多个温室气体观测站，这些有限的观测数据极大地限制了人类对二氧化碳的认知，进而限制了人类对碳排放和全球气候变化影响的科学认知进程。
世界气象组织协调建立来的全球温室气体观测站网
于是，2000年后，科学家们开始把目光投向了高尖端的卫星探测技术，希望借助卫星“天眼”可以全天候观测全球任何角落大气二氧化碳的浓度信息。
目前全球有已两颗专门的二氧化碳探测卫星在天上运行，日本卫星GOSAT观测不够精细，最小只能探测到10公里范围内的大气二氧化碳平均值；美国卫星OCO2空间分辨率提高到2公里左右，但是它只是一颗小卫星，上面只有一个观测二氧化碳的仪器，无法同时获取云和大气中气溶胶的信息，而这些信息是卫星探测二氧化碳非常重要的辅助观测信息。
日本GOSAT卫星
第四
我国发射的碳卫星
我国刚刚发射的碳卫星上 不仅搭载了一个和美国OCO2类似的先进二氧化碳探测仪器，而且同时还搭载了一台先进的云和气溶胶的探测仪器 。碳卫星的空间分辨率将超过美日卫星，达到1~2公里，也就是说两个相邻较大的小区排放二氧化碳的差别都将可能被分辨出来。
卫星仪器探测到的是太阳光经过大气层到达地面后又反射回卫星，这些信息里记录了太阳光经过大气层时发生了各种微妙的变化信息。这种变化实在是太微小了，科学家得经过如下几步才可能将这种变化分离出来：
第一步
经过对原始信号进行预处理，包括定位（将卫星传下来的信号准确地对应上地理经纬度的坐标）、辐射定标（利用复杂的大气辐射传输模型计算这些信号对应的太阳的辐射的量值）、光谱定标(对记录到的太阳光谱信号进行光谱位置的复原）等。
第二步
研究这些数据中哪些信号是可以指示大气中二氧化碳含量信号，找到信号后，还需要想办法剔除大气中其他因素对这些信号的干扰，尽可能得到大气二氧化碳的“纯粹”的信号。
第三步
利用数学、物理、光学、以及化学等知识，建立复杂的计算大气辐射传输过程的计算机模型，其中需要在模型中输入卫星观测得到的温度、湿度、大气层厚度、云以及气溶胶等很多的参数信息，利用计算机开展高速计算，不断地迭代直到模型的里无数个方程式全部收敛，才可以得到大气中准确的二氧化碳浓度信息。
二氧化碳气体的光谱吸收信号
得到这些二氧化碳浓度信息后，为了便于科学家和政府决策者以及公众可以便捷地了解大气中二氧化碳的浓度分布信息， 我们还要让这些看不见摸不着的二氧化碳“可视化”，赋予各种颜色的变化，对应不同浓度的信息，然后按照地理信息坐标投影到地图上，大家终于可以清晰地看见大气中的二氧化碳在全球任何地方分布信息 （见下图），请大家拭目以待吧！
卫星探测得到可视化的全球陆地大气二氧化碳浓度分布图
当然有了卫星探测得到这些二氧化碳浓度信息后，还需要更多的科学家建立碳排放吸收的模型，利用复杂的卫星资料同化技术，把这些卫星观测资料“吃”到模型里，然后才计算出大气二氧化碳究竟在什么地方、什么时间、排放出多少量、吸收了多少量、最后留在空气中多少量，以及留在空气中的二氧化碳随着大气运动又都传输到哪去了。
有了这些信息后，我们才可以清晰地掌握碳排放的机理和变化，可以有的放矢地制定减排政策措施，可以获得更多的科学结论来应对全球气候变化。当然，如果碳卫星表现出色，谁应该为地球“发烧”来买单，没准还能排上大用场！