今年5月份，地球大氣中的二氧化碳月平均濃度為419ppm，也就是0.0419%，這是人類有記錄以來的二氧化碳濃度最高值。雖然二氧化碳在大氣中的占比很少，但隨著它們的濃度越來越高，已經造成了顯著的全球變暖效應，二氧化碳濃度的日常監測至關重要。
2016年12月22日凌晨3時22分，隨著一顆衛星發射升空，我國二氧化碳的監測視角，從地面升高至地球上空700公里。這是我國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱「中國碳衛星」），也是全球第三顆碳衛星，它實現了我國空間溫室氣體高精度監測的從無到有，為應對全球氣候變化貢獻了「中國力量」。碳衛星是多部門百餘名專家共同潛心科研多年的成果，而中科院大氣物理研究所副研究員楊東旭便是這百餘名專家中的一員。
楊東旭，中科院大氣物理研究所副研究員。圖/受訪者供圖
攻克碳衛星核心技術，自主研發反演系統
碳排放的計算主要依賴於清單方法，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）制定了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（下稱《指南》），要求各國清單須按照《指南》的方法編制。即便如此，國際上很多聲音提出，不同行政區域之間上報標準不一致導致的偏差問題、統計管理上相互不透明等問題無法避免，利用碳監測衛星，通過大氣反演的方法，進行全球人為排放的監測方式更優成為共識。
發射碳衛星，各國都在努力。2009年，美國率先發射碳衛星，但因發射失敗而墜入南極附近海域；同年，日本成功發射了國際上第一顆溫室氣體專用探測衛星GOSAT；美國OCO-2緊隨其後，於2014年發射升空。據楊東旭介紹，「碳衛星雖然沒有完全解決掉國別間偏差和不透明等問題，但是向著國際間碳監測的『公平公正、查漏補缺』邁出了一大步。」
2007年，楊東旭在中科院讀研究生時，開始接觸碳衛星科研領域，從此參與研發碳衛星成了他畢生的事業。2009年，國家遙感中心組織專家組開始碳衛星項目的前期戰略研究工作；2011年，在863計劃的支持下，「全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示範」重大項目（中國碳衛星）正式由科技部立項，彼時臨近博士畢業的楊東旭正式參與其中。
「幾乎是摸著石頭過河，困難在於這個項目在我國屬於『前無古人』——沒有基礎，沒有借鑑，一切從零開始。」回憶起剛立項時的情景，楊東旭十分感慨，「為了爭分奪秒研發碳衛星的算法，我當時幾度辦了延期畢業，也放棄了一些國外研究所和學校的機會，在攻克碳衛星面前，一切都得讓路。」
碳衛星需要什麼，楊東旭就研究什麼。從科學問題倒推碳衛星需要什麼樣的核心指標，為實現做好碳衛星的目標，楊東旭自主研發了溫室氣體衛星反演系統——中國科學院大氣物理研究所碳反演系統（IAPCAS），助力實現了國產衛星的高精度全球碳監測，在我國溫室氣體高精度遙感反演方面突破了「卡脖子」的技術瓶頸和歐美國家的技術封鎖。據介紹，IAPCAS高精度模擬了太陽輻射在大氣中的傳輸過程，充分優化氣溶膠光學性質隨波長的變化以及捲雲的連續吸收等特徵，顯著降低了誤差，提高了反演精度，大幅提高了計算效率。
四年突破「不可能」，碳衛星及觀測數據被世界認可
據楊東旭回憶，2012年在國際會議上談到要研製自己的碳衛星，國際同行覺得不可思議，覺得我們沒有任何基礎，甚至公開說「不可能」。
然而，從「不可能」到「能」，中國只用了4年。這四年裡的艱辛，只有像楊東旭這樣的一線科研專家們才知道。從無到有，實現技術突破；又後發趕上，比肩國際領先水平。「我們現在碳衛星的整體水平已經趕超日本，比肩美國了。」楊東旭說。
二氧化碳在大氣中的濃度本就非常低。數據質量特別是觀測精度，是制約衛星數據有效應用的瓶頸，CO2的衛星監測精度需求高於0.5%，這在衛星大氣成分遙感領域中是非常高的要求。
楊東旭介紹，最開始我們對觀測精度定的目標很高，日本GOSAT初級數據產品的精度將近20ppm（單位意義：體積混合比百萬分之一）,當時我們的目標底線是4ppm，也就是說最差也要達到日本數據誤差的20%左右。
為什麼定這麼高呢？「我們認為，只有到達了這個精度以後，數據才能真正地發揮科學上的應用價值。」楊東旭解釋，我們不僅要從「不可能」做到「可能」，還要從「可能」做到「更好」。
「現在我們的碳衛星觀測精度優於了1.3ppm，躋身於全球先進地位。」楊東旭補充，中歐開展了針對中國碳衛星全球碳監測的相關合作研究，中國碳衛星加入歐洲空間局（ESA）第三方衛星計劃，我國碳衛星及其觀測數據逐漸被世界認可。
「2019年，我在另外一個國際大會上見到當年說『不可能』的國際同行，對我們非常禮貌，說中國碳衛星已經做成全球品牌了。現在只要說到衛星碳監測，大家都會提到中國的碳衛星。」楊東旭驕傲地說，「如今在全球溫室氣體監測大會上，大會前幾個的口頭報告裡總會有留給中國碳衛星的一席之地。」
下一代碳衛星研製已經啟動
儘管1.3ppm的觀測精度已經讓中國碳衛星躋身於全球領先地位，但是楊東旭認為還可以更好。「我們正在設計下一代碳衛星。」楊東旭說，「靠一顆衛星解決不了所有問題。」
對於碳監測的未來，專家團隊有更宏大的設想。楊東旭介紹，對於傳統的碳排核算方法來說，碳衛星其實是一個補充的獨立手段，從整體來看，更希望最終會建成一整套衛星體系，「我們正在設計的下一代衛星系統將做到更高精度，超越現有的1.3ppm達到1ppm以內，去做更深入的工作；除了精度以外，還要解決幅寬較窄的問題，未來下一代碳衛星的幅寬更寬，甚至做到全球覆蓋；達到全球覆蓋以後，一天覆蓋一次可能也不夠，會再考慮一天覆蓋幾次，以應對大氣的快速變化；解決天上衛星的問題以後，我們地面的反演、同化等系統也要跟上，同時天地一體化的協同觀測也非常重要，從而形成碳的監測體系，要將更高科技的技術應用到產品中去，用更新的方法去做更新的事情。」
據悉，我國下一代碳衛星（TanSat-2）的論證設計工作已經開始，衛星的研製工作也即將啟動。新一代衛星將在第一代衛星所具有的技術優勢基礎上，進一步提升探測能力，並以應用需求與科學需求為出發點。目標測量將以人為排放、全球碳匯等為重點，以高定量、高時頻、高分辨探測，來提高排放量和碳匯的計算精度。
正如楊東旭所介紹，下一代碳衛星將是一個天基系統，希望每天可多次覆蓋一個城市或點源，同時將具備協同大氣污染物的觀測能力，更好地用於對人為碳排放量進行獨立測算。
對於普通民眾如何參與到碳減排工作中，楊東旭談到：「雙碳是個大概念，包括了我們未來生活、生產和發展形勢與機遇；雙碳工作和目標門檻高，因此可持續發展需要硬核的科技力量做強有力的支撐；把最前沿的科學變成大眾的認知，把最先進的技術應用於發展建設，將有助於全社會真正走向低碳、可持續、高質量發展。」
新京報零碳研究院研究員 陶野
編輯 曲筱藝 李錚
校對 薛京寧