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探秘安徽造“天眼”

  新聞提示

  近日,生態環境部、中國氣象局等用戶單位在北京共同簽署高分五號衛星在軌投入使用證書,標志著由中科院合肥物質科學研究院安徽光機所為高分五號衛星研制的用于大氣環境探測的三臺載荷正式交付。這三臺“天眼”有何神通?它們將怎樣對大氣主要污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠進行綜合探測?記者就此采訪了這三臺載荷的設計師。

  利用光譜“看”得更清楚

  高分五號衛星于2018年5月9日成功發射升空,目前已圓滿完成各項在軌測試任務。 “高分五號共搭載了六臺有效載荷,其中用于大氣環境探測的三臺主要載荷分別是大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀,由安徽光機所研制。”安光所光學遙感中心主任洪津告訴記者。

  “常見遙感衛星的主要功能是對地拍攝圖像,獲得地表信息,用于測繪、地物類型識別等,我們稱之為‘看圖說話’。 ”洪津告訴記者,“這種方式能看出一些污染結果,如水體污染;但要看清污染物質是什么、污染濃度多大,特別是監測大氣污染,光靠‘看圖說話’是不行的,因為常規的對地成像技術做不到。利用諸如高光譜、偏振、多角度成像這些‘特殊’的光學技術手段,則可以精確地探測大氣層中的污染氣體成分、溫室氣體含量以及氣溶膠。 ”

  地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特征,光譜因此被視為辨別物質的“指紋”,是用以識別和分析不同物體特征的一種重要“身份證”。

  光譜分辨率指儀器區分電磁光譜各波長間隔的能力,高光譜有識別地表物質(地物)的能力。光譜的分辨率越高,對物質的識別能力就越強。在紫外可見波段,一般分辨率幾十納米量級的為多光譜,幾納米的是高光譜,分辨率為零點幾個納米的,則是超光譜。“我們為高分五號研制的三臺載荷中,大氣痕量氣體差分吸收光譜儀光譜分辨率達到了0.5納米,就是超光譜。 ”大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的主任設計師、安光所紫外可見光譜研究室主任司福祺告訴記者,他們研制的這臺載荷是我國在軌紫外可見光譜分辨率最高的衛星載荷,自2018年5月9日隨高分五號升空以來,已經精確地實現對大氣中臭氧、二氧化氮、二氧化硫等的遙感定量反演,為用戶單位獲取了大量有重要價值的數據。

  氣溶膠顆粒物的探測,除了也需要利用光譜信息之外,還用上了偏振技術,以及多角度觀測的技術。 “你坐在飛機上往下看,看到的地面上蒙了白花花面紗一樣的一層,就是氣溶膠。這里面究竟有什么我們肉眼看不出來,但大氣氣溶膠多角度偏振探測儀則能監測出來。利用了光譜信息、偏振信息以及多角度的信息,我們就可以知道各種粒徑的氣溶膠含量,包括PM2.5。 ”洪津說。

  各顯神通探測大氣污染更專業

  “監測大氣環境,三臺載荷各有神通。 ”洪津介紹,他們研制的大氣氣溶膠多角度偏振探測儀能實現全球大氣氣溶膠和云的光學及微物理參數探測,為全球氣候變遷研究及對地觀測高精度大氣輻射校正提供有效數據,同時可實現大氣細顆粒物污染監測的功能。該載荷具有高精度、多光譜、多角度、偏振特性的專用氣溶膠探測能力,其空間分辨率優于國際同類型衛星載荷,發射后將在三年左右的時間里成為全球唯一一臺業務化運行的偏振氣溶膠觀測載荷。 “大氣氣溶膠多角度偏振探測儀有8個光譜通道,9個角度,目前已經可以制作全球的氣溶膠產品,包括PM2.5濃度和灰霾污染分布的產品。 ”洪津說。

  大氣主要溫室氣體監測儀,能定量監測大氣中的二氧化碳、甲烷等溫室氣體,通過獲取氧氣、二氧化碳、甲烷的高精度吸收光譜信息,反演大尺度范圍大氣主要溫室氣體濃度數據。 “這臺載荷采用全新技術路線,信噪比高,信號靈敏度高。以對二氧化碳柱濃度的探測為例,大氣中二氧化碳柱濃度一般在400-410ppm(百萬分之一),一年之中的變化幅度只有幾個ppm,我們研制的大氣主要溫室氣體監測儀,監測精度優于1個ppm,達到國際先進水平。 ”光學遙感中心副主任、大氣主要溫室氣體監測儀的主任設計師熊偉告訴記者,“現在大氣主要溫室氣體監測儀主要用于全球氣候變化研究,其空間分辨率為10公里。下一步,我們將研制用于環保執法的監測儀,空間分辨率會優于1公里,對小范圍的超標排放都能實時監測到。 ”

  大氣痕量氣體差分吸收光譜儀,是我國第一臺用于大氣痕量氣體探測的高光譜分辨率成像光譜儀,用于定量監測我國上空及全球空氣質量變化以及污染氣體的分布輸運過程,分析人類活動排放和自然排放過程對大氣組成成分、空氣質量以及全球氣候變化的影響。 “這些痕量氣體包括二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧等,其濃度變化對環境影響很大。 ”“痕量氣體本身具有非常精細的特征和光譜的吸收結構,只有光譜分辨率足夠高,才能將它們區分開。這個區分的過程相當于我們用高分辨儀器提取出不同污染物的‘指紋’。 ”司福祺表示,監測痕量氣體,用的是成像光譜儀,而不是相機,只有超光譜的儀器才能對痕量氣體加以監測。大氣痕量氣體差分吸收光譜儀必須具備高的信噪比才能把這種微小的痕量氣體吸收反演(觀察)出來,從而區別污染物的種類,并計算出濃度。 “現在環保、氣象部門都在使用我們采集的數據,應用前景十分廣闊。 ”

  填補空白減少對國外數據的依賴

  要保護我們的環境,必須隨時“監視”生態環境的變化,即進行生態環境監測。如果只是自己的“一畝三分地”,憑借一雙肉眼或者一些地面設備就可以實現監測。但如果是數百萬平方公里的土地和浩瀚的天空,僅靠地面上的“眼睛”是遠遠不夠的。這時候,就必須依靠衛星遙感這個“天眼”收集數據。 “我們研制大氣環境監測衛星載荷,還有一個目的,就是要增強我國在環境監測領域的話語權,幫助國家環保部門、氣象部門拿到第一手的大氣環境數據。 ”熊偉說,美國、歐洲以及日本在這方面研發較早,有大氣環境監測衛星,但他們提供的數據都是經過處理的,不是第一手的。高分五號的發射,填補了國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白。

  “我們的載荷上了天,對提高我國衛星高光譜數據的自給率、減少我國對國外高光譜衛星數據的依賴發揮了重要作用。 ”熊偉表示,以大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀兩臺載荷為例,它們分別擁有114°和120°寬幅成像視場,在軌飛行1天即可獲得全球數據。

  “2018年上海進博會期間,高分五號衛星每天為有關部門提供第一手空氣質量數據,用戶很滿意。現在我國環保、氣象部門都在使用我們采集的數據,不再單純地依賴國外衛星提供的數據。 ”司福祺表示,同國際先進水平相比,我們已經從跟跑發展到并跑,研發的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀分辨率高、光譜范圍寬,可實現多種痕量氣體的定性定量測量,具備了建立我國區域和全球范圍的大氣成分監測和預警技術體系的能力。下一步,我們將進一步提升大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的空間分辨率,我們的目標是在現在的基礎上將空間分辨率提升10倍,如果做到這一點,就能更精準地定位地面污染源,區分污染源間的相互影響。 “未來,我們一定能獲取全球大氣污染物的精確分布信息,精準定位污染源,讓大氣環境治理更加有的放矢。 ”司福祺說。

  科學卡片

  高分五號是一顆什么樣的衛星

  高分五號是我國高分專項(高分辨率對地觀測系統重大專項)規劃的唯一一顆陸地環境高光譜觀測衛星,是我國首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星,也是我國高分專項中一顆重要的技術試驗星。

  高分五號衛星是以生態環境部為牽頭用戶、自然資源部和中國氣象局等為主要用戶的環境專用衛星,具有高光譜、大范圍、定量化探測等特點,面向生態環境監測搭載的多個大氣探測載荷具備大幅寬、高光譜及偏振探測能力,使二氧化氮和二氧化硫等污染氣體、二氧化碳和甲烷等溫室氣體高精度遙感探測成為可能。

  高分五號的發射,填補了國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白,對于動態監測我國大氣污染狀況、進行大氣污染防治具有重要意義。

責任編輯:付玉
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