溫室氣體“千里眼”將迎“小考”

大年初三過后，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的實(shí)驗(yàn)室里，人氣就和尋常日子差不多了。

 

-120℃、直徑2米的低溫真空球，模擬著太空的惡劣環(huán)境，考驗(yàn)著全球首臺(tái)寬幅高光譜溫室氣體成像監(jiān)測(cè)儀。一旁，天基碳監(jiān)測(cè)突擊隊(duì)的科研人員正緊張地盯著密密麻麻的參數(shù)。大伙兒正將4000余個(gè)光譜的數(shù)據(jù)量變成大氣中各氣體成分的實(shí)際物理量。這個(gè)工作量不小，得忙一陣了。

 

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊溢，80后，上海人，這幾年春節(jié)幾乎都沒完整過過。“任務(wù)需要，這個(gè)春節(jié)卡在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上了。大家輪流歇，研制不停。”她說得云淡風(fēng)輕。

 

“看清”更多溫室氣體

 

碳達(dá)峰，深入人心?？勺龅迷趺礃樱糜每茖W(xué)數(shù)據(jù)來說話。“從天上往地面看氣候變化”，上海技術(shù)物理研究所走在了前面，從2008年起就率先開展天基溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的預(yù)先研究。

 

天上飛著的碳衛(wèi)星，有好幾位不同國家的“前輩”了。高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀，又“煉就”了哪些不一樣的絕活？以我國2016年12月發(fā)射的全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為例，它通過看“顏色”來識(shí)別二氧化碳?xì)怏w。上海技術(shù)物理研究所所長、儀器主任設(shè)計(jì)師丁雷說，溫室氣體可不止二氧化碳，還有水汽、甲烷、氧化亞氮等。“看”水是“基本功”，“看”二氧化碳是“進(jìn)階本領(lǐng)”，各有千秋，而“看”甲烷可是“頭一遭”，自然難得多。

 

“要利用寬譜段高光譜方式來對(duì)地觀測(cè)，這就要求監(jiān)測(cè)儀能‘看到’的色彩更豐富、有更多細(xì)節(jié)，同時(shí)還要看得更遠(yuǎn)。”丁雷介紹。國際上同類儀器的視場(chǎng)幅寬普遍為10多公里，天基碳監(jiān)測(cè)突擊隊(duì)卻直接添了個(gè)零，要“看”100公里，“能有效縮短對(duì)全球和敏感地區(qū)的探測(cè)周期。”看得廣還看得遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)量隨之增多，信息處理難度也陡增。

 

記者了解到，全球首臺(tái)寬幅高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)已完成研制。相比國際上同類載荷性能指標(biāo)，其光學(xué)總視場(chǎng)角增加7.3倍左右，光譜分辨率提升一倍，光譜采樣率提升50%，信噪比提升30%。

 

破解“既要又要”難題

 

和照相機(jī)定格山川河流不一樣，探測(cè)儀“看到”的是“虛”的，太陽高度角、風(fēng)速、陰天晴天，都會(huì)對(duì)“所見”造成變化?？蒲腥藛T獲取的數(shù)據(jù)，得和大氣成分做物理上的反演建立起穩(wěn)定的數(shù)學(xué)關(guān)系。“我們要把溫室氣體反演精度提高至1ppm，通俗講就是，當(dāng)大氣中某一溫室氣體含量變化超過百萬分之一時(shí)，監(jiān)測(cè)儀就能發(fā)現(xiàn)。”丁雷解釋。

 

天基溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)，在上海技術(shù)物理研究所，接力棒已在四屆博士生手中傳遞過。這支數(shù)十人組成的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，年齡跨度覆蓋了“60后”到“00后”，載荷不知更新迭代了多少回。

 

光學(xué)副主任設(shè)計(jì)師成龍從攻讀博士學(xué)位起就瞄準(zhǔn)了這項(xiàng)技術(shù)，已在所里奮斗快十年了，“我很幸運(yùn)能參與國家需要的前沿項(xiàng)目研究”。

 

拿探測(cè)儀的“體重”來說，為滿足科研需求，最初的設(shè)計(jì)直奔600公斤，可衛(wèi)星上天也有“承重量”，對(duì)探測(cè)儀來說是個(gè)“既要又要”的難題——得輕些，穩(wěn)定性還不能降低要求，這可是個(gè)無先例可循的創(chuàng)新活兒。機(jī)械副主任設(shè)計(jì)師雷松濤費(fèi)盡心思，不同零件用上滿足各自要求的復(fù)合材料，總算“減重”到了300公斤，“在不同溫度、重力環(huán)境下，載荷的結(jié)構(gòu)形變不能超過微米級(jí)”。

 

團(tuán)隊(duì)要“兩條腿走路”

 

“根據(jù)科研任務(wù)的安排，研發(fā)的溫室氣體監(jiān)測(cè)儀馬上迎來階段驗(yàn)收。春節(jié)期間，恰好要在真空環(huán)境中聯(lián)合測(cè)試。”綜合電子學(xué)主任設(shè)計(jì)師張冬冬沒覺得假期工作有什么大不了的，“測(cè)試需要24小時(shí)有人盯著，大家輪流過節(jié)，設(shè)備不歇。家住甘肅、貴州的科研人員，過了年初三也都陸續(xù)回來了”。

 

一頭，在緊鑼密鼓地開展寬幅高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀的裝校和定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，為三月到來的“小考”做好準(zhǔn)備；另一頭，一臺(tái)新的載荷也在春節(jié)期間“上馬”。團(tuán)隊(duì)要“兩條腿走路”，還得走得快而穩(wěn)。

 

“甲烷在平流層和對(duì)流層，可能會(huì)和不同成分發(fā)生反應(yīng)。若把它作為一個(gè)科學(xué)問題看待，有很多環(huán)節(jié)纏繞在一起，以目前的技術(shù)手段，較難全面探測(cè)。”丁雷展望說，“未來天基溫室氣體監(jiān)測(cè)必然朝著更多要素、更廣范圍發(fā)展。我們現(xiàn)在看到的是柱狀濃度，今后希望能像CT一樣，得到溫室氣體在大氣中的垂直分布信息。”