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我国碳星进行碳监测的绝技剖析

8月4日,我国陆地生态系统碳监测卫星(简称碳星)“句芒”号在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射,其主要任务是监测陆地生态系统能吸收多少二氧化碳。“句芒”是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神,主管树木的发芽生长,碳星取名“句芒”,意为它能监测陆地森林和植被的碳汇水平。 1、碳汇监测实现里程碑式飞…

8月4日,我国陆地生态系统碳监测卫星(简称碳星)“句芒”号在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射,其主要任务是监测陆地生态系统能吸收多少二氧化碳。“句芒”是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神,主管树木的发芽生长,碳星取名“句芒”,意为它能监测陆地森林和植被的碳汇水平。

1、碳汇监测实现里程碑式飞跃

森林能够吸收并储存二氧化碳,因而成为地球上一个巨大的碳库。碳汇就是指森林吸收并储存二氧化碳的能力。过去,中国的碳汇测量主要依靠人工对森林植被进行抽样监测。

从森林面积上看,中国是世界上人工林面积最大的国家,人工林面积已达7954.28万公顷,具有较大的固碳能力。截至2020年年底,中国森林覆盖率达到23.04%,森林蓄积量达到175亿立方米。按照国家有关部署,到2025年,森林覆盖率将达到24.1%,森林蓄积量达到180亿立方米;到2030年,森林覆盖率将达到25%左右,森林蓄积量达到190亿立方米。未来随着我国森林面积的增长,森林这个碳库的固碳能力还会增加。

对于中国如此巨大的森林碳库,仅仅靠人工和抽样监测碳汇耗时旷日持久,效率和精准度上也不尽如人意,难以胜任未来的碳汇监测。现在,碳星的应用标志着中国碳汇监测进入天基遥感时代,无论从效率还是准确度来看,与过去的传统监测方式相比,都是一个里程碑式的飞跃。

碳星“句芒”号由中国航天科技集团五院遥感卫星总体部研制,是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星,能够对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光进行高精度定量遥感测量。这也意味着,中国的碳汇监测已经从地面走向空间,从平面走向立体,从局部走向全局,能为中国的碳中和碳达峰提供更为精确的科学数据,也有利于完成中国的碳减排任务,为缓解气候变化做出中国的贡献。

遥感卫星是如何进行碳汇测量的呢?要计算森林碳汇能力,需要几个方面的数据,包括叶绿素荧光、植被高度、植被面积、大气PM_2.5含量等,而碳星配置的多种高精工具和仪器,能获得这些方面的数据。因此,碳星也被称为森林碳汇监测的“专业之星”。

2、测量叶绿素荧光取得国际突破

通过对叶绿素的监测能获取比较真实的碳汇数据。植物中的叶绿素是完成光合作用的关键因素,在这个过程中需要吸收大量的二氧化碳。光合作用机制可简化为公式:CO_2+H_2O+光能→能量-富含碳的分子+O_2。

根据测算,地球植被和海洋植物、微生物等进行的光合作用每年从大气二氧化碳中固定1150亿到1200亿吨碳,其中600亿吨来自陆地。2008年8月美国《科学》杂志发表的一项研究指出,叶绿素D是吸收波长700纳米至750纳米的近红外线进行光合作用的唯一色素,由此对地球上的碳循环产生重要影响。研究估计,若将全球范围内叶绿素D吸收的二氧化碳换算成碳,每年能固碳约10亿吨。

尽管不同研究以不同变量估算的叶绿素光合作用吸收大气中的二氧化碳并因此而固定的碳量不同,但能够确认的是,通过监测叶绿素的光合作用可以进行碳汇监测。而测量叶绿素吸收碳可以通过监测叶绿素荧光来实现。

叶绿素荧光的能量非常小,仅有0.5%至2%以荧光的形式发射出来,因此在过去难以监测。现在,中国研究人员为碳星“句芒”号配置了超光谱探测仪,并使用了光栅分光原理,能将光谱分辨率提高10倍,达到0.3纳米的精细探测,这也是国际上的首次突破,能够探测到人眼所看不到的太阳光细微的明暗变化。

超光谱探测仪能将670纳米至780纳米这段光的颜色展分成1000多个渐变色彩,从而有效地寻找隐匿在某些渐变色角落里的叶绿素荧光。通过叶绿素荧光高精度制图,可以监测和计算陆地上森林和植被吸收的碳量。

3、精准测量整片森林树木高度

研究表明,全球陆地生态系统所蕴含的所有碳元素中,有62%至78%蕴藏在森林这个复杂系统里,其中又有近7成蕴藏在森林的土壤里。2020年联合国粮农组织《全球森林资源评估报告》指出,全球森林总碳储量达到6620亿吨,主要储存在森林生物质(约44%)、森林土壤(约45%)以及凋落物(约6%)和枯死木(约4%)中。

森林面积、森林的多样性、树木的茂密度和森林中树木的高度决定了森林能吸收多少碳,而森林的多样性取决于林木大小的多样性,一般采用直径、树高和冠幅3个因素来衡量。仅以树高而言,树木越高,它下面和周围的生物多样性越丰富,森林固碳能力越强,而且每棵树木固存了多少碳也可以通过测量树高和直径大致计算出来。

“句芒”号配置了主动探测的激光雷达和被动探测的遥感相机,并集成到一台载荷上。激光雷达通过点探测可获得森林的垂直高度信息,遥感相机通过面探测获取大范围地面图像。借助多波束激光雷达,“句芒”号通过计算激光到树冠和地面的时间差计算树木高度,卫星一次测量发射出激光的光束数量、发射频次则决定测量精度。

由于卫星轨道较高,大部分的激光能量会耗散在路上,因此要求激光发射系统向地面射出的激光能量必须足够强、激光接收系统足够灵敏,才能将微弱的回波信号从太阳光等强噪声里摘取出来。此外,激光发射和接收系统还必须精确对准地面同一个目标。

“句芒”号配置的激光雷达和遥感相机达到1秒发射测量激光200次,通过对激光雷达所需的卫星环境和硬件配置进行适应性设计,克服散热等难题,实现了测点间隔由千米级跨越到百米级,对树木的测高精度大幅提升。

有了这样的精度,就可以较为准确地测量整片森林树木的高度,从而计算出国内所有森林的固碳能力和数量。

4、立体观测森林面积和茂密程度

仅仅测量森林中树木的高度当然不足以监测碳汇,还必须测量森林面积和森林茂密程度,为此,中国研究人员为“句芒”号设计安装了5个多角度多光谱相机,实现对地五个角度立体观测,能获得森林的总体概貌。

多角度多光谱相机可分别从垂直0°、±19°、±41°5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据,从这些角度既能看清森林冠顶,还能看清森林侧面,知道森林的疏密分布、健康、长势等情况。

森林的疏密和长势是其固碳能力的要素之一。一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林,其中中龄林生态系统的固碳速度最大,成熟林和过熟林由于其生物量基本停止增长,对碳的吸收与释放基本平衡。“句芒”号可以从多角度看清森林,因此能知道森林是否由中龄林、近熟林等健康林木构成,从而估算固碳能力和数量。

另外,分辨森林的健康程度还可以通过健康植被的红边波段反射率会大幅上升这一特点来判断。碳星装载的两台大角度观测相机把全色谱段改为红边谱段,其余小角度观测相机仍采用传统可见光波段设置,由此能更加全面准确地观测植物氮素含量、叶绿素含量、病虫害、生物量估算等,从而比较精准地计算森林的碳汇。

森林生态系统植被固碳能力也随地貌和坡度的变化而变化,体现为陡坡>急坡>斜坡>缓坡>平坡。森林的碳密度分布为陡坡最大,平坡最小,这是因为陡坡森林植被不易受到人的影响而固碳能力较高,平坡的森林植被比较容易受到人为干扰,固碳能力较低。碳星的多角度多光谱相机如果能拍摄到地貌随坡度的变化,也就能较准确地估算出不同森林的固碳量。

5、去除大气污染对碳汇监测干扰

无论是叶绿素,还是植被高度,以及森林面积和茂密程度的监测,都可能受到空气污染的干扰,从而影响“句芒”号监测碳汇的准确性。因此,“句芒”号还配置了一个多角度偏振成像仪,可以测量大气里面气溶胶的水平分布,进行大气校正,以获得更高精度的测量结果。

PM_2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也即气溶胶,这种细颗粒物的直径还不到人头发丝粗细的1/20。PM_2.5主要来源于日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物,大多含有重金属等有毒物质。有了多角度偏振成像仪,“句芒”号在获取PM_2.5的信息后,通过反演和校正,就能获得更精准的碳汇监测数据。

多角度偏振成像仪支持35个角度监测大气PM_2.5含量,获取大气横向PM_2.5含量信息。同时,“句芒”号上还增配了大气激光雷达,用于获取大气纵向PM_2.5含量信息。纵横交错收集的大气数据结果可以将大气中的PM_2.5平面信息转换为立体信息,以确保大气校正更精准。

碳星“句芒”号除了能进行森林碳汇监测外,还可广泛应用于环保、测绘、气象、农业、减灾等领域,支撑作物评估、植物病虫害监测、灾害应急成像等。当然,“句芒”号监测陆地生态系统碳汇还需要实践检验,未来可以静候其佳音。

原标题:“句芒”号把碳汇算得明明白白

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