近日，生態(tài)環(huán)境部、中國氣象局等用戶單位在北京共同簽署高分五號衛(wèi)星在軌投入使用證書，標(biāo)志著由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機(jī)所為高分五號衛(wèi)星研制的用于大氣環(huán)境探測的三臺載荷正式交付。這三臺“天眼”有何神通?它們將怎樣對大氣主要污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠進(jìn)行綜合探測?記者就此采訪了這三臺載荷的設(shè)計師。
利用光譜“看”得更清楚
高分五號衛(wèi)星于2018年5月9日成功發(fā)射升空，目前已圓滿完成各項在軌測試任務(wù)。 “高分五號共搭載了六臺有效載荷，其中用于大氣環(huán)境探測的三臺主要載荷分別是大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀，由安徽光機(jī)所研制。”安光所光學(xué)遙感中心主任洪津告訴記者。
“常見遙感衛(wèi)星的主要功能是對地拍攝圖像，獲得地表信息，用于測繪、地物類型識別等，我們稱之為‘看圖說話’。 ”洪津告訴記者，“這種方式能看出一些污染結(jié)果，如水體污染;但要看清污染物質(zhì)是什么、污染濃度多大，特別是監(jiān)測大氣污染，光靠‘看圖說話’是不行的，因為常規(guī)的對地成像技術(shù)做不到。利用諸如高光譜、偏振、多角度成像這些‘特殊’的光學(xué)技術(shù)手段，則可以精確地探測大氣層中的污染氣體成分、溫室氣體含量以及氣溶膠。 ”
地球上不同的元素及其化合物都有自己獨(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用以識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。
光譜分辨率指儀器區(qū)分電磁光譜各波長間隔的能力，高光譜有識別地表物質(zhì)(地物)的能力。光譜的分辨率越高，對物質(zhì)的識別能力就越強(qiáng)。在紫外可見波段，一般分辨率幾十納米量級的為多光譜，幾納米的是高光譜，分辨率為零點(diǎn)幾個納米的，則是超光譜。“我們?yōu)楦叻治逄栄兄频娜_載荷中，大氣痕量氣體差分吸收光譜儀光譜分辨率達(dá)到了0.5納米，就是超光譜。 ”大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的主任設(shè)計師、安光所紫外可見光譜研究室主任司福祺告訴記者，他們研制的這臺載荷是我國在軌紫外可見光譜分辨率最高的衛(wèi)星載荷，自2018年5月9日隨高分五號升空以來，已經(jīng)精確地實(shí)現(xiàn)對大氣中臭氧、二氧化氮、二氧化硫等的遙感定量反演，為用戶單位獲取了大量有重要價值的數(shù)據(jù)。
氣溶膠顆粒物的探測，除了也需要利用光譜信息之外，還用上了偏振技術(shù)，以及多角度觀測的技術(shù)。 “你坐在飛機(jī)上往下看，看到的地面上蒙了白花花面紗一樣的一層，就是氣溶膠。這里面究竟有什么我們?nèi)庋劭床怀鰜?，但大氣氣溶膠多角度偏振探測儀則能監(jiān)測出來。利用了光譜信息、偏振信息以及多角度的信息，我們就可以知道各種粒徑的氣溶膠含量，包括PM2.5。 ”洪津說。
各顯神通探測大氣污染更專業(yè)
“監(jiān)測大氣環(huán)境，三臺載荷各有神通。 ”洪津介紹，他們研制的大氣氣溶膠多角度偏振探測儀能實(shí)現(xiàn)全球大氣氣溶膠和云的光學(xué)及微物理參數(shù)探測，為全球氣候變遷研究及對地觀測高精度大氣輻射校正提供有效數(shù)據(jù)，同時可實(shí)現(xiàn)大氣細(xì)顆粒物污染監(jiān)測的功能。該載荷具有高精度、多光譜、多角度、偏振特性的專用氣溶膠探測能力，其空間分辨率優(yōu)于國際同類型衛(wèi)星載荷，發(fā)射后將在三年左右的時間里成為全球唯一一臺業(yè)務(wù)化運(yùn)行的偏振氣溶膠觀測載荷。 “大氣氣溶膠多角度偏振探測儀有8個光譜通道，9個角度，目前已經(jīng)可以制作全球的氣溶膠產(chǎn)品，包括PM2.5濃度和灰霾污染分布的產(chǎn)品。 ”洪津說。
大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀，能定量監(jiān)測大氣中的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，通過獲取氧氣、二氧化碳、甲烷的高精度吸收光譜信息，反演大尺度范圍大氣主要溫室氣體濃度數(shù)據(jù)。 “這臺載荷采用全新技術(shù)路線，信噪比高，信號靈敏度高。以對二氧化碳柱濃度的探測為例，大氣中二氧化碳柱濃度一般在400-410ppm(百萬分之一)，一年之中的變化幅度只有幾個ppm，我們研制的大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀，監(jiān)測精度優(yōu)于1個ppm，達(dá)到國際先進(jìn)水平。 ”光學(xué)遙感中心副主任、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀的主任設(shè)計師熊偉告訴記者，“現(xiàn)在大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀主要用于全球氣候變化研究，其空間分辨率為10公里。下一步，我們將研制用于環(huán)保執(zhí)法的監(jiān)測儀，空間分辨率會優(yōu)于1公里，對小范圍的超標(biāo)排放都能實(shí)時監(jiān)測到。 ”
大氣痕量氣體差分吸收光譜儀，是我國第一臺用于大氣痕量氣體探測的高光譜分辨率成像光譜儀，用于定量監(jiān)測我國上空及全球空氣質(zhì)量變化以及污染氣體的分布輸運(yùn)過程，分析人類活動排放和自然排放過程對大氣組成成分、空氣質(zhì)量以及全球氣候變化的影響。 “這些痕量氣體包括二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧等，其濃度變化對環(huán)境影響很大。 ”“痕量氣體本身具有非常精細(xì)的特征和光譜的吸收結(jié)構(gòu)，只有光譜分辨率足夠高，才能將它們區(qū)分開。這個區(qū)分的過程相當(dāng)于我們用高分辨儀器提取出不同污染物的‘指紋’。 ”司福祺表示，監(jiān)測痕量氣體，用的是成像光譜儀，而不是相機(jī)，只有超光譜的儀器才能對痕量氣體加以監(jiān)測。大氣痕量氣體差分吸收光譜儀必須具備高的信噪比才能把這種微小的痕量氣體吸收反演(觀察)出來，從而區(qū)別污染物的種類，并計算出濃度。 “現(xiàn)在環(huán)保、氣象部門都在使用我們采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用前景十分廣闊。 ”
填補(bǔ)空白減少對國外數(shù)據(jù)的依賴
要保護(hù)我們的環(huán)境，必須隨時“監(jiān)視”生態(tài)環(huán)境的變化，即進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。如果只是自己的“一畝三分地”，憑借一雙肉眼或者一些地面設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。但如果是數(shù)百萬平方公里的土地和浩瀚的天空，僅靠地面上的“眼睛”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這時候，就必須依靠衛(wèi)星遙感這個“天眼”收集數(shù)據(jù)。 “我們研制大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星載荷，還有一個目的，就是要增強(qiáng)我國在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的話語權(quán)，幫助國家環(huán)保部門、氣象部門拿到第一手的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。 ”熊偉說，美國、歐洲以及日本在這方面研發(fā)較早，有大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，但他們提供的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過處理的，不是第一手的。高分五號的發(fā)射，填補(bǔ)了國產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測區(qū)域大氣污染氣體的空白。
“我們的載荷上了天，對提高我國衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)的自給率、減少我國對國外高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴發(fā)揮了重要作用。 ”熊偉表示，以大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀兩臺載荷為例，它們分別擁有114°和120°寬幅成像視場，在軌飛行1天即可獲得全球數(shù)據(jù)。
“2018年上海進(jìn)博會期間，高分五號衛(wèi)星每天為有關(guān)部門提供第一手空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，用戶很滿意。現(xiàn)在我國環(huán)保、氣象部門都在使用我們采集的數(shù)據(jù)，不再單純地依賴國外衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)。 ”司福祺表示，同國際先進(jìn)水平相比，我們已經(jīng)從跟跑發(fā)展到并跑，研發(fā)的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀分辨率高、光譜范圍寬，可實(shí)現(xiàn)多種痕量氣體的定性定量測量，具備了建立我國區(qū)域和全球范圍的大氣成分監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)體系的能力。下一步，我們將進(jìn)一步提升大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的空間分辨率，我們的目標(biāo)是在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上將空間分辨率提升10倍，如果做到這一點(diǎn)，就能更精準(zhǔn)地定位地面污染源，區(qū)分污染源間的相互影響。 “未來，我們一定能獲取全球大氣污染物的精確分布信息，精準(zhǔn)定位污染源，讓大氣環(huán)境治理更加有的放矢。 ”司福祺說。(記者 汪永安)
科學(xué)卡片
高分五號是一顆什么樣的衛(wèi)星
高分五號是我國高分專項(高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項)規(guī)劃的唯一一顆陸地環(huán)境高光譜觀測衛(wèi)星，是我國首顆實(shí)現(xiàn)對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(wèi)星，也是我國高分專項中一顆重要的技術(shù)試驗星。
高分五號衛(wèi)星是以生態(tài)環(huán)境部為牽頭用戶、自然資源部和中國氣象局等為主要用戶的環(huán)境專用衛(wèi)星，具有高光譜、大范圍、定量化探測等特點(diǎn)，面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測搭載的多個大氣探測載荷具備大幅寬、高光譜及偏振探測能力，使二氧化氮和二氧化硫等污染氣體、二氧化碳和甲烷等溫室氣體高精度遙感探測成為可能。
高分五號的發(fā)射，填補(bǔ)了國產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測區(qū)域大氣污染氣體的空白，對于動態(tài)監(jiān)測我國大氣污染狀況、進(jìn)行大氣污染防治具有重要意義。
