本文轉自：北京日報

北京日報客戶端 | 記者 王鴻良

8月4日，我國陸地生態系統碳監測衛星（簡稱碳星）“句芒”號在太原衛星發射中心由長征四號乙運載火箭成功發射，其主要任務是監測陸地生態系統能吸收多少二氧化碳。“句芒”是中國古代民間神話中的木神、春神、東方之神，主管樹木的發芽生長，碳星取名“句芒”，意爲它能監測陸地森林和植被的碳匯水平。我們約請知名科普作者張田勘來聊聊這顆衛星工作的道理。

陸地生態系統碳監測衛星模擬圖。（國家航天局供圖）

碳匯監測實現里程碑式飛躍

森林能夠吸收並儲存二氧化碳，因而成爲地球上一個巨大的碳庫。碳匯就是指森林吸收並儲存二氧化碳的能力。過去，中國的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進行抽樣監測。

從森林面積上看，中國是世界上人工林面積最大的國家，人工林面積已達7954.28萬公頃，具有較大的固碳能力。截至2020年年底，中國森林覆蓋率達到23.04%，森林蓄積量175億立方米。按照國家有關部署，到2025年，森林覆蓋率將達到24.1%，森林蓄積量達到180億立方米；到2030年，森林覆蓋率將達到25%左右，森林蓄積量達到190億立方米。未來隨着我國森林面積的增長，森林這個碳庫的固碳能力還會增加。

對於中國如此巨大的森林碳庫，僅僅靠人工和抽樣監測碳匯耗時曠日持久，效率和精準度上也不盡如人意，難以勝任未來的碳匯監測。現在，碳星的應用標誌着中國碳匯監測進入天基遙感時代，無論從效率還是準確度來看，與過去的傳統方式監測相比，都是一個里程碑式的飛躍。

碳星“句芒”號由中國航天科技集團五院遙感衛星總體部研製，是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，能夠對森林植被生物量、氣溶膠分佈、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。這也意味着，中國的碳匯監測已經從地面走向空間，從平面走向立體，從局部走向全局，能爲中國的碳中和、碳達峯提供更爲精確的科學數據，也有利於完成中國的碳減排任務，爲緩解氣候變化做出中國的貢獻。

遙感衛星是如何進行碳匯測量的呢？要計算森林碳匯能力，需要幾個方面的數據，包括葉綠素熒光、植被高度、植被面積、大氣PM2.5含量等，而碳星配置的多種高精工具和儀器，能獲得這些方面的數據。因此，碳星也被稱爲森林碳匯監測的“專業之星”。

測量葉綠素熒光取得國際突破

通過對葉綠素的監測能獲取比較真實的碳匯數據。植物中的葉綠素是完成光合作用的關鍵因素，在這個過程中需要吸收大量的二氧化碳。光合作用機制可簡化爲公式：二氧化碳+水+光能→能量-富含碳的分子+氧氣。

根據測算，地球植被和海洋植物、微生物等進行的光合作用每年從大氣二氧化碳中固定1150億到1200億噸碳，其中600億噸來自陸地。2008年8月美國《科學》雜誌發表的一項研究指出，葉綠素D是吸收波長700納米至750納米的近紅外線進行光合作用的唯一色素，由此對地球上的碳循環產生重要影響。研究估計，若將全球範圍內葉綠素D吸收的二氧化碳換算成碳，每年可固碳約10億噸。

儘管不同研究以不同變量估算的葉綠素光合作用吸收大氣中的二氧化碳並因此而固定的碳量不同，但能夠確認的是，通過監測葉綠素的光合作用可以進行碳匯監測。而測量葉綠素吸收碳可以通過監測葉綠素熒光來實現。

葉綠素熒光的能量非常小，僅有約0.5%至2%以熒光的形式發射出來，因此在過去難以監測。現在，中國研究人員爲碳星“句芒”號配置了超光譜探測儀，並使用了光柵分光原理，能將光譜分辨率提高10倍，達到0.3納米的精細探測，這也是國際上的首次突破，能夠探測到人眼所看不到的太陽光細微的明暗變化。

超光譜探測儀能將670納米至780納米這段光的顏色展分成1000多個漸變色彩，從而有效地尋找隱匿在某些漸變色角落裏的葉綠素熒光。通過葉綠素熒光高精度製圖，可以監測和計算陸地上森林和植被吸收的碳量。

精準測量整片森林樹木高度

研究表明，全球陸地生態系統所蘊含的所有碳元素中，有大約62%至78%蘊藏在森林這個複雜系統裏，其中又有近7成蘊藏在森林的土壤裏。2020年聯合國糧農組織《全球森林資源評估報告》指出，全球森林總碳儲量達到6620億噸，主要儲存在森林生物質（約44%）、森林土壤（約45%）以及凋落物（約6%）和枯死木（約4%）中。

森林面積、森林的多樣性、樹木的茂密度和森林中樹木的高度決定了森林能吸收多少碳，而森林的多樣性取決於林木大小的多樣性，一般採用直徑、樹高和冠幅3個因素來衡量。僅以樹高而言，樹木越高，它下面和周圍的生物多樣性越豐富，森林固碳的能力越強，而且每棵樹木固 存了多少碳也可以通過測量樹高和直徑大致計算出來。

“句芒”號配置了主動探測的激光雷達和被動探測的遙感相機，並集成到一臺載荷上。激光雷達通過點探測可獲得森林的垂直高度信息，遙感相機通過面探測獲取大範圍地面圖像。藉助多波束激光雷達，“句芒”號通過計算激光到樹冠和地面的時間差計算樹木高度，衛星一次測量發射出激光的光束數量、發射頻次則決定測量精度。

由於衛星軌道較高，大部分的激光能量會耗散在路上，因此要求激光發射系統向地面射出的激光能量必須足夠強、激光接收系統足夠靈敏，才能將微弱的回波信號從太陽光等強噪聲裏摘取出來。此外，激光發射和接收系統還必須精確對準地面同一個目標。

“句芒”號配置的激光雷達和遙感相機達到1秒發射測量激光200次，通過對激光雷達所需的衛星環境和硬件配置進行適應性設計，克服散熱等難題，實現了測點間隔由千米級跨越到百米級，對樹木的測高精度大幅提升。

有了這樣的精度，就可以較爲準確地測量整片森林樹木的高度，從而計算出國內所有森林的固碳能力和數量。

立體觀測森林面積和茂密程度

僅僅測量森林中樹木的高度當然不足以監測碳匯，還必須測量森林面積和森林茂密程度，爲此，中國研究人員爲“句芒”號碳星設計安裝了5個多角度多光譜相機，實現對地五個角度立體觀測，能獲得森林的總體概貌。

多角度多光譜相機可分別從垂直0°、±19°、±41°5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數據，從這些角度既能看清森林冠頂，還能看清森林側面，知道森林的疏密分佈、健康、長勢等情況。

森林的疏密和長勢是其固碳能力的要素之一。一般森林據其年齡可分爲幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林，其中中齡林生態系統的固碳速度最大，成熟林和過熟林由於其生物量基本停止增長，對碳的吸收與釋放基本平衡。“句芒”號可以從多角度看清森林，因此能知道森林是否由中齡林、近熟林等健康林木構成，從而估算固碳能力和數量。

另外，分辨森林的健康程度還可以通過健康植被的紅邊波段反射率會大幅上升這一特點來判斷。碳星裝載的兩臺大角度觀測相機把全色譜段改爲紅邊譜段，其餘小角度觀測相機仍採用傳統可見光波段設置，由此能更加全面準確地觀測植物氮素含量、葉綠素含量、病蟲害、生物量估算等，從而比較精準地計算森林的碳匯。

森林生態系統植被固碳能力也隨地貌和坡度的變化而變化，體現爲陡坡>急坡>斜坡>緩坡>平坡。森林的碳密度分佈爲陡坡最大，平坡最小，這是因爲陡坡森林植被不易受到人的影響而固碳能力較高，平坡的森林植被比較容易受到人爲干擾，固碳能力較低。碳星的多角度多光譜相機如果能拍攝到地貌隨坡度的變化，也就能較準確地估算出不同森林的固碳量。

去除大氣污染對碳匯監測干擾

無論是葉綠素，還是植被高度，以及森林面積和茂密程度的監測，都可能受到空氣污染的干擾，從而影響“句芒”號監測碳匯的準確性。因此，“句芒”號還配置了一個多角度偏振成像儀，可以測量大氣裏面氣溶膠的水平分佈，進行大氣校正，以獲得更高精度的測量結果。

PM2.5是指大氣中直徑小於或等於2.5微米的顆粒物，也即氣溶膠，這種細顆粒物的直徑還不到人頭髮絲粗細的1/20。PM2.5主要來源於日常發電、工業生產、汽車尾氣排放等過程中經過燃燒而排放的殘留物，大多含有重金屬等有毒物質。有了多角度偏振成像儀，“句芒”號在獲取PM2.5的信息後，通過反演和校正，就能獲得更精準的碳匯監測數據。

多角度偏振成像儀支持35個角度監測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。同時，“句芒”號上還增配了大氣激光雷達，用於獲取大氣縱向PM2.5含量信息。縱橫交錯收集的大氣數據結果可以將大氣中的PM2.5平面信息轉換爲立體信息，以確保大氣校正更精準。

碳星“句芒”號除了能進行森林碳匯監測外，還可廣泛應用於環保、測繪、氣象、農業、減災等領域，支撐作物評估、植物病蟲害監測、災害應急成像等。當然，“句芒”號監測陸地生態系統碳匯還需要實踐檢驗，未來可以靜候其佳音。