前天下午到达兰州参加中科院寒旱所遥感室主办的中美碳联盟（US-China Carbon Consortium，USCCC）第十一届年会。这个联盟是由中国和美国多家科研机构、大学的科研工作者自愿组成的生态学松散研究团体，旨在综合探索全球变化下受干扰生态系统过程机制及变化趋势。自2004年以来，这个没有任何专门资金资助的团体不断壮大，成员单位数量越来越多。作为首批参加这个联盟的成员单位代表，看到这样的发展，我感到非常自豪与欣慰。每年的老朋友见面，自然会分享许多新的信息。虽然我们这个联盟大多数成员单位都在开展基于涡度相关（eddy flux）观测塔的研究活动，但对于遥感观测我们也非常重视，又加上美国的“轨道碳观测者2号”（OCO-2）刚刚发射，显然是值得我们大家都期待和关注的问题。
2009年OCO首次发射失败，令许多同行感到非常沮丧，我也属其中之一，一直关注其替代者OCO-2的发射。上月中旬，我撰文“OCO-2：从轨道碳观测者到荧光制图卫星”对这颗新卫星进行了一次简单的科普。现在这颗卫星顺利上天了，再写一篇博文进行更为详细的介绍。
1. OCO-2测量什么？
众所周知，二氧化碳是地球大气层的组分，也是在近地面可捕获热量的几个温室气体之一。许多科学家认为大气中二氧化碳的大幅度增加将导致地表温度的增加。自工业时代开始，二氧化碳的浓度一直在增加。基于地面的全球网络观测说明，在过去50年里大气中二氧化碳浓度增加了近20%——这是人类历史上最引人注目的变化之一。根据全球碳项目（GCP）的研究，因人类活动添加到大气中的二氧化碳总量的数量也一直在稳步攀升。
与此同时，海洋、陆地植物和土壤，以及其他许多在全球碳循环中的重要碳汇也在不断吸收碳。然而，海洋和陆地生态系统吸收碳的地理分布格局非常不确定，这些碳汇的效力和效能可能会随时间的推移而发生变化。碳汇一直是个核心的科学难题，使科学家们难于准确预测未来二氧化碳水平如何变化，以及这些变化的浓度如何影响地球的气候。科学家们目前还无法确切知道，自工业时代开始以来人类活动排放到地球大气中超过一半的二氧化碳是在什么地方以及如何被地球上的海洋和植物所吸收的。因此，我们无法确切预测这些过程在未来气候变化的情况下将如何运行。为了让全社会能更好地管理我们排放到大气中的二氧化碳，我们需要能够测量自然源和汇的过程。
OCO就是在这样的需求下酝酿产生的。现在的OCO-2是由美国喷气推进实验室（JPL）管理的一个地球系统科学探索者项目，是NASA第一颗从太空专门研究大气二氧化碳的地球遥感卫星。OCO-2将从太空测定全球大气的二氧化碳，具有较高的测量精度、高分辨率和高覆盖度，这是在区域尺度上描述碳源和汇的需要。OCO-2也能够年复一年地量化二氧化碳季节性周期变化。OCO-2将收集大量高分辨率的测量，这将提供在整个全球更大空间二氧化碳的分布情况。简言之，是一个更大、更清晰、更完整的全球二氧化碳制图。大气二氧化碳浓度的精确测量是必需的，因为从区域到大陆尺度其背景浓度的变化不到百分之二。典型的变化可以小至百分之一的三分之一。OCO-2是用于清晰测定这些微小变化的。虽然地面站监控二氧化碳浓度，但OCO-2将成为第一个全球范围内在数个季节监测二氧化碳的宇宙飞船。飞船预计将产生详细的观测数据，提供区域温室气体二氧化碳的源及汇。这些数据将与地面网络的数据结合起来提供给科学家，这可帮助他们更好地理解调节大气二氧化碳的过程及其在碳循环中的作用。有了这个增强的理解，为改善未来大气二氧化碳增加的预测及其对地球气候的影响是至关重要的。美国宇航局局长查尔斯·伯尔登（Charles Bolden）骄傲地说：“气候变化是我们这一代人的挑战，通过OCO-2与现存的一系列卫星，NASA是唯一有资格进行挑战，来记录和理解这些变化、预测后果，并为分享有关这些变化的信息而造福社会。”
每年，人类有近400亿吨二氧化碳释放到大气中。不同国家排放总量是有差异的，但人均为约5.5吨。地球陆表和海洋约吸收了这些排放量的一半。OCO-2的测量结果将显示这种二氧化碳来自地球的什么地方（地球源）以及在什么地方从大气中吸收和存储二氧化碳（汇）。OCO-2的视野只有1平方英里（3平方公里），为什么这么小呢？这是为了避开云。一般来说，地球上三分之二区域的上空覆盖有云，但即使是一小缕云，也会影响OCO-2的测量。为了识别不同波段吸收光非常小的变化，OCO-2根据波长光分离成许多窄的波段。在三个波长区域，尽管只代表了整个光谱的一小部分，但它可以测量超过3000个波段。OCO-2每秒收集24个测量，每天总计约一百万次调查。其中，预计约10万是在没有云的条件下测定的高质量二氧化碳数据。相比较而言，之前最好的二氧化碳在轨观测卫星需要4秒进行一次测量，每天收集的数据不到2万条，其中约500是可以用的。
2. OCO-2推迟一天发射，已成功入轨
OCO-2是一艘六角飞船，约6英尺长，直径3英尺，重985磅。原定于7月1日从加州范登堡空军基地（Vandenberg Air Force Base）发射。这颗卫星从美国西海岸发射，是为了让航天器便以进入地球的极地轨道，这个飞行路径每次旋转都将跨越北极和南极地区，最后获得地球的全貌。虽然该机构已经完成了广泛的地球观测航天器发射任务，但这次发射任务仍然是其首次进行这种类型的发射。显然，发射这个探测器与其他卫星是不同的，要求是非常苛刻的，每次只有30秒的机会，必须相当精确。这是为什么呢？因为OCO-2将加入轨道列车（A-Train），与其他5颗国际地球观测卫星组成编队。这些卫星跨越地球同一点的时间非常接近，几乎对地球进行了一个同步测量。如果早发射或者晚发射几秒钟，就会妨碍其进入正确的轨道。如果它错过了前面一个30秒的发生窗口，在当日晚上还有一次30秒的机会。
本来整个发射工作应该说是按部就班，完全就绪的，只是等待7月1日的发射，但天有不测风云，在倒计时最后几分钟，发射架中脉冲抑制水系统的阀门出现了问题，唯一的方案是替换备用阀门，这正好错过了当日30秒发射窗口。因此只能再拖延到到第二天（7月2日）进行发射，这次发生一切顺利，美国东部时上午5:56正式发射升空。OCO-2发射约56分钟后，观测器与火箭分离，进入429英里（690公里）的初始轨道。然后飞船进行一系列激活程序，包括与地面控制人员建立通信以及展开两套太阳能电池阵列。初始遥感勘测显示航天器工作良好。OCO-2很快就会进入为期两年的工作，定位地球上大气二氧化碳的来源和存储场所。在接下来的10天，飞船将通过一个检测过程，然后开始三周的演习测量，最后停留在438英里（705公里）的轨道上，作为近极地运行轨道下午列车A-Train的火车头。这列包括多颗卫星编队飞行的“超级观测站”，记录地球的大气和地表环境的健康，同时收集大量的近同步的气候和气象测量。OCO-2的科学运行将在发射后45天左右开始。科学家希望开始存档6个月左右的存档校准任务数据，并计划在2015年初发布第一个有关大气二氧化碳浓度的初步估计。
这个仪器是相当精确的，研究人员能够计算大气层中二氧化碳分子的数量，并利用这些数据得出气体总量的增加将如何影响诸如全球温度变化的结论。OCO-2的设计寿命为两年。德尔塔II是NASA最可靠的发射器，美国空军和商业卫星制造商从1989年到2011年为NASA完成了150多次发射任务，之后德尔塔II运载火箭将退休。这次飞船发射主要是为了取代2009年2月第一代OCO没有成功入轨。当时的飞船携带了一个仪器，其唯一的重点测定二氧化碳，也就是说从太空看地球的“呼吸”。
3. 一个好汉三个帮，OCO-2组成编队测量
每一天，在我们的星球上空，五颗地球观测卫星在同一轨道组成列车相继飞过，有些相隔数分钟，有些相隔数秒。它们总共携带了多于15种科学仪器观测我们地球的许多不同方面。因此被称为下午星座，这些卫星组成一个联合的强大工具，增强我们对地表和大气的理解。现在，这列火车将变长了。NASA的OCO-2将成为A-Train的第六位成员，它产生的数据将会帮助科学家分析A-Train中其他仪器的数据。同样，其他卫星提供的数据也有助于验证OCO-2中的重要数据。A-Train星座是一种理想的测量系统。
OCO-2观测器将对地球陆地和水体上的大气进行均匀采样，每天对阳光照射的半球收集超过10万个精确的个别测量。科学家们在计算机上将利用这些数据生成地表二氧化碳释放和吸收图。这些区域尺度的地图将为定位和识别二氧化碳源和汇提供新的工具。OCO-2也将测量太阳诱导的荧光现象，这是一个植物生长与健康的度量指标。在植物进行光合作用时，它们吸收二氧化碳并发出荧光，这个光非常非常微弱，一般肉眼是看不见的。因为光合作用越多，转化的荧光也就越多，来自OCO-2的荧光数据将有助于对植物吸收二氧化碳进行新的阐述。
卡利普索（CALIPSO，云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星）和云探测卫星（CloudSat）用于监测大气中的微小颗粒，分别称为气溶胶和云。OCO-2会沿着与之相同的路径飞行。通过对准OCO-2，CALIPSO和CloudSat在地面上的轨迹，近乎完美。现在希望保持这三颗卫星尽可能长地开展一些任务，这样我们就能根据这三颗卫星的科学测量开展许多工作了。
OCO-2通过观测二氧化碳对太阳光的影响来测定二氧化碳。太阳光是由许多波长或频率的光波组成的，有些是可见光，有些是非可见光。当光线穿过大气层，二氧化碳和其他一些气体分子会吸收光谱中特定频率的光，光谱中呈现出一些狭窄的缝隙。如果光穿越空气柱的时候被吸收得越多，说明那种气体的浓度越高。在某些情况下，这可能表明空气下面的地球表面包含一个二氧化碳源，比如一个大的工业城市。更少的二氧化碳意味着是一个碳汇，会吸收二氧化碳，比如生长季节的茂密森林。
OCO-2宇宙飞船携带一个由三种光谱仪组成的仪器，测量不同区域的光谱。其中一个光谱仪观测氧分子的光谱，称为A-波段光谱。这很重要，因为氧分子是大气中相对稳定的成分，可用于测量大气中其他气体如二氧化碳的参考。除了校准二氧化碳浓度这个关键任务，还告诉科学家们有多少阳光被气溶胶和云吸收或反射了 ，这是由CALIPSO和CloudSat所观测的特性。如果我们把A-波段光谱仪的测量与CALIPSO和CloudSat所观测的气溶胶和云的信息结合起来，我们就可以利用这些信息来估计被这些空气中的悬浮粒子所吸收的太阳光的总量，我们目前是做不到这点儿的。
CloudSat和CALIPSO也有助于弄清OCO-2的数据。观测器利用其A-波段光谱仪找到阳光走完多少路径才能到达卫星（光学路径）——这是寻找源和汇的重要信息。路径长度测量的一个小小错误就会引入卫星对二氧化碳测量的严重错误。通常在阳光到达地面之前，大气层中的云和气溶胶就会反射掉一些阳光，缩短了阳光的路径并与地表反射的光谱混淆起来。但是CALIPSO和CloudSat有关气溶胶和云的位置及高度数据可以验证OCO-2的路径程度测量，并确定是什么阻止了到达地表的阳光。对OCO-2来说，CALIPSO通过纠正云和气溶胶的影响来验证OCO-2的测量是非常重要的。这两颗卫星共同飞行是这个任务关键的部分。A-Train中还有其他的卫星也支持OCO-2的工作。Aqua卫星上的MODIS设备可跟踪云层。Aqua的另一个仪器AIRS（大气红外探测器）测量空气的温度和大气中水分总量。为了精确测量二氧化碳，科学家们必须知道所有的这些细节。这些卫星组成了一个工作平台。
可以预计，OCO-2将带领NASA研究二氧化碳和全球碳循环进入新的高度。这个任务将产生迄今为止有关二氧化碳自然来源最详细的图片，以及吸收汇。观测器将研究这些源和汇在全球是如何分布的以及它们如何随时间变化。OCO-2将对地球表面附近的大气二氧化碳浓度进行极其精确的测量，为制定如何适应和减少未来气候变化的政策决策奠定基础。
参考资料来自NASA的OCO-2网站：http://www.nasa.gov/mission_pages/oco2/
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