北京日報客戶端 | 記者 王鴻良

8月4日，我國陸地生态系統碳監測衛星（簡稱碳星）“句芒”号在太原衛星發射中心由長征四号乙運載火箭成功發射，其主要任務是監測陸地生态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”，意為它能監測陸地森林和植被的碳彙水平。我們約請知名科普作者張田勘來聊聊這顆衛星工作的原理。

陸地生态系統碳監測衛星模拟圖。（國家航天局供圖）

碳彙監測實現裡程碑式飛躍

森林能夠吸收并儲存二氧化碳，因而成為地球上一個巨大的碳庫。碳彙就是指森林吸收并儲存二氧化碳的能力。過去，中國的碳彙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，森林覆蓋率将達到24.1%，森林蓄積量達到180億立方米；到2030年，森林覆蓋率将達到25%左右，森林蓄積量達到190億立方米。未來随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。

對于中國如此巨大的森林碳庫，僅僅靠人工和抽樣監測碳彙耗時曠日持久，效率和精準度上也不盡如人意，難以勝任未來的碳彙監測。現在，碳星的應用标志着中國碳彙監測進入天基遙感時代，無論從效率還是準确度來看，與過去的傳統方式監測相比，都是一個裡程碑式的飛躍。

碳星“句芒”号由中國航天科技集團五院遙感衛星總體部研制，是世界首顆森林碳彙主被動聯合觀測的遙感衛星，能夠對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光的高精度定量遙感測量。這也意味着，中國的碳彙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，能為中國的碳中和、碳達峰提供更為精确的科學數據，也有利于完成中國的碳減排任務，為緩解氣候變化做出中國的貢獻。

遙感衛星是如何進行碳彙測量的呢？要計算森林碳彙能力，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，碳星也被稱為森林碳彙監測的“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彙數據。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為公式：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》雜志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産生重要影響。研究估計，若将全球範圍内葉綠素D吸收的二氧化碳換算成碳，每年可固碳約10億噸。

盡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并因此而固定的碳量不同，但能夠确認的是，通過監測葉綠素的光合作用可以進行碳彙監測。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，中國研究人員為碳星“句芒”号配置了超光譜探測儀，并使用了光栅分光原理，能将光譜分辨率提高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。

超光譜探測儀能将670納米至780納米這段光的顔色展分成1000多個漸變色彩，從而有效地尋找隐匿在某些漸變色角落裡的葉綠素熒光。通過葉綠素熒光高精度制圖，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，全球陸地生态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裡，其中又有近7成蘊藏在森林的土壤裡。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于林木大小的多樣性，一般采用直徑、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緻計算出來。

“句芒”号配置了主動探測的激光雷達和被動探測的遙感相機，并集成到一台載荷上。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。借助多波束激光雷達，“句芒”号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。

由于衛星軌道較高，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，才能将微弱的回波信号從太陽光等強噪聲裡摘取出來。此外，激光發射和接收系統還必須精确對準地面同一個目标。

“句芒”号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适應性設計，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，就可以較為準确地測量整片森林樹木的高度，從而計算出國内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彙，還必須測量森林面積和森林茂密程度，為此，中國研究人員為“句芒”号碳星設計安裝了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别從垂直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，知道森林的疏密分布、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為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林，其中中齡林生态系統的固碳速度最大，成熟林和過熟林由于其生物量基本停止增長，對碳的吸收與釋放基本平衡。“句芒”号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。碳星裝載的兩台大角度觀測相機把全色譜段改為紅邊譜段，其餘小角度觀測相機仍采用傳統可見光波段設置，由此能更加全面準确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彙。

森林生态系統植被固碳能力也随地貌和坡度的變化而變化，體現為陡坡>急坡>斜坡>緩坡>平坡。森林的碳密度分布為陡坡最大，平坡最小，這是因為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為幹擾，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随坡度的變化，也就能較準确地估算出不同森林的固碳量。

去除大氣污染對碳彙監測幹擾

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幹擾，從而影響“句芒”号監測碳彙的準确性。因此，“句芒”号還配置了一個多角度偏振成像儀，可以測量大氣裡面氣溶膠的水平分布，進行大氣校正，以獲得更高精度的測量結果。

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于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發絲粗細的1/20。PM2.5主要來源于日常發電、工業生産、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”号在獲取PM2.5的信息後，通過反演和校正，就能獲得更精準的碳彙監測數據。

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”号上還增配了大氣激光雷達，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。縱橫交錯收集的大氣數據結果可以将大氣中的PM2.5平面信息轉換為立體信息，以确保大氣校正更精準。

碳星“句芒”号除了能進行森林碳彙監測外，還可廣泛應用于環保、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”号監測陸地生态系統碳彙還需要實踐檢驗，未來可以靜候其佳音。

圖片來自視覺中國

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