进入18世纪之后，伴随着英国工业革命兴起，人类进入了利用机械能、电力时代，社会发展进入快车道
两百多年间，因为人类活动排放的二氧化碳浓度逐年增加，对大气的破坏与影响越来越严重，并且导致了温室效应，全球极端天气频频爆发，造成巨大的生命财产损失
气候的剧烈变化成了悬在人类头上的一把利剑，再不做出改变，未来将不堪设想
近几年来相信越来越多的朋友已经开始对每年不期而至的极端气候刻骨铭心
联合国减少灾害风险办公室数据显示，近年来全球重大以上（灾害造成10人及以上死亡；或影响100人及以上；或灾区宣布进入紧急状态；或灾区申请国际援助）自然灾害呈多发趋势，且灾害造成的影响后果逐年上升
2020年，全球发生重大以上自然灾害事件389起，造成15080人死亡、9840万人受灾，经济损失达1713亿美元。从中长期来看，近20年以来，无论是重大以上自然灾害发生数量、死亡人数、受灾人数还是经济损失，比以往均有上升
数据显示，2000—2019年全球累计重大以上自然灾害发生数量达7348起、死亡人数达123万人、受灾人数达40.3亿人、经济损失达2.97万亿美元，比1980—1999年分别上升了74.5%、3.4%、24.0%和82.2%
在刚过去的11月份，内蒙古、东北、华北等地出现强降雪过程，其中沈阳、大连、鞍山、锦州等多地出现大暴雪到特大暴雪
从6日8点到9日下午4点，辽宁62个气象站平均降水量为41毫米，最大降雪量和最大小时降雪量都出现在鞍山站，分别为80.3毫米和10.6毫米
暴风雪下的撒哈拉沙漠
其实这一切的罪魁祸首都与人类生产生活的碳排放有关
人类碳排放活动形成的温室效应，吸收和发射红外辐射，造成地表升温
据研究，碳排放产生的相关气体对太阳短波辐射吸收很少，而对大气长波辐射吸收很强，当空气中温室气体的含量增加，就会改变大气的热量平衡，从而影响地气系统的辐射平衡，导致大气低层和地表的平均温度上升，从而对全球气候的变化造成直接影响
在温室气体中，二氧化碳虽然占比约0.031%，在空气成分中排名第三，但是却对温室效应贡献了30%的力量
所以，研究和控制温室效应，二氧化碳是首要目标
而化石燃料的燃烧和其他相关的人类活动，每年向大气中排放二氧化碳300亿吨，如果从工业革命开始算起，200多年间排放到大气中的二氧化碳，已经累计高达3 000亿吨，浓度达到了80万年来最高水平
根据全球气温监测数据可知，从20世纪50年代开始，约有50%以上的地表气温升高，而温室气体在1951年到2010年的60年中，为地表温度上升贡献了0.5℃~1.1℃。二氧化碳与温室效应的密切相关度，让这种气体成了环境的不可承受之重
要想应对温室效应，必须将全球大气中二氧化碳浓度的准确数据和未来变化情况了然于心，也就是说，最好有一幅全球二氧化碳浓度分布图，才能对症下药
想法虽然很好，然而，要想绘制这张图的难度却超出了我们的想象。原因为何？那就是以前的监测手段比较落后，无法获得全球大气中二氧化碳浓度的全面而准确的数据
目前，通行的检测方法一共有3种
分别是地基、空基和星载模式（卫星遥感模式）
三种方法中星载检测技术脱颖而出，力压群芳
星载检测技术是通过卫星平台，对地球大气层中的二氧化碳进行浓度检测，绘制全球二氧化碳的浓度图，为科学家们研究气候变化产生的影响提供数据支持
这个卫星平台就是我们俗称的“碳卫星”，即全球二氧化碳监测科学实验卫星
它可以实时捕捉大气的二氧化碳浓度，具有统一、连续、覆盖范围广的优势
“碳卫星”检测原理星载检测技术的实现难度非常大，全球原先只有日本、美国掌握了这项技术
其中，美国和日本是星载技术的开拓者，采用的技术均基于“日光反射式被动探测原理”，即利用卫星上的望远镜，收集穿越大气层后由地表反射的太阳光，当反射光进入光学系统之后，对其二氧化碳的吸收光谱进行分析，进而得到全球二氧化碳的分布图
大家一般都知道，太阳光分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色谱
而实际上，太阳光的色谱远不止这些，单单拎出来七个中的任何一个，都有极为丰富的变化
太阳光经过大气，总有一些特定的频点被其中聚集的二氧化碳吸收
如果卫星看到反射或散射出来的光中特定的频点很弱，那么可以推断这里的二氧化碳分子比较密集；反之，特定频点很强，则可推断二氧化碳分子较少。这个推断过程就是科学家通常所说的“反演”
资料来源：上海微小卫星工程中心
具体来说，我在绕地飞行的时候，把东西向20公里范围内的信息收集起来，然后把带有太阳光反射或散射情况的信息放在信号里，交给建在地面的三个接收站，进而送至国家卫星气象中心进行处理
整个处理过程的核心是反演：
有一个地球模型来描述大气的二氧化碳状况
一个太阳的模型，包括太阳光的光谱、强度、照射的角度情况
卫星观测信息和地面观测检验站资料一起送到反演系统，最终得到不同地区的二氧化碳浓度信息
美国、日本等在“碳卫星”技术上的领跑日本
——2009年1月23日,日本用一枚H-2A火箭,以“一箭八星”的方式发射了世界首颗专门从太空监测温室气体浓度分布的卫星呼吸号（IBUKI），又名为“温室气体观测卫星”(GOSAT)
GOSAT-2卫星
这颗卫星是日本宇宙航空研究开发机构、日本环境部和日本国家环境研究院联合研发而成的，搭载1台傅里叶变换光谱仪，用于探测二氧化碳和甲烷浓度，还搭载1台云（气）溶胶探测仪，用于提高温室气体观测精确度
该卫星在服役中从太空搜集全球二氧化碳和甲烷浓度分布信息，为制定减排政策提供依据，还能帮助科研人员进一步了解生态系统究竟能吸收和释放多少二氧化碳
卫星长2m,宽1.8m,高3.7m,发射质量约1.75吨，在监视全球环境变化方面发挥重要作用
——2018年10月，携光谱分离引擎形式的ABB FTIR技术（通常被称为干涉仪）的温室气体观测SATellite-2（GOSAT-2）卫星发射
ABB干涉仪可帮助收集超过100,000个二氧化碳，甲烷，水蒸气的精确测量值，一氧化碳和大气中的氧气
日本国立环境研究所（NIES）使用所得的数据制作详细的地图，突出显示全球温室气体的分布以及任何强烈的季节性变化
——2020年，三菱电机公司在3月宣布被日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）指定为“温室气体与水循环全球观测卫星”（GOSAT-GW）的承包商，称研制工作已经启动
GOSAT-GW是GOSAT系列的第三颗卫星，将肩负两项任务，即为日本环境省国立环境研究所（NIES）开展温室气体观测和为JAXA开展水循环观测（有些乱的是，在前两颗卫星项目下，GOSAT原本是由“温室气体观测卫星”英文缩写而来，而现在又改成了“全球观测卫星”的英文缩写）
GOSAT-GW卫星上配备的“总人为与自然排放测绘光谱仪”（TANSO）将对二氧化碳和甲烷等温室气体的浓度进行大范围精准观测，设有全球普查和局部详查两种工作模式，其中详查模式分辨率将比其前身GOSAT-2（“息吹”2）高3倍
星上配备的“先进微波扫描辐射计”（AMSR）3是新研制的，观测谱段有所增加，将观测地球陆地、海洋和大气中的水储量，进而改善水循环和气象监测
美国
自1980年代以来，NASA就一直在运行各种研究型地球观测系统（EOS）卫星
——2002年5月，美国发射了EOS计划中的"水"（Aqua）卫星，这是颗多功能地球观测卫星，原名EOS－PM 1(下午星)，是对应EOS-AM 1(上午星)而言的
于1999年12月18日发射的EOS－AM 1后改名为"土"（Terra）卫星，它也是一颗多功能地球观测卫星。Aqua、Terra是拉丁语，意思分别是"水"和"土"，它们分别对地球水圈和土圈进行观测
其携带设备如下：
6台遥感器中有5台是大气探测器，惟独MODIS是1台多功能遥感器，可用于大气、海洋和陆地观测
——2009年第一颗碳卫星OCO的发射，因为整流罩未能与第三级火箭分离，发射失败，卫星坠毁，星载技术遭受巨大挫折
——2014年，美国继续研制了碳卫星OCO-2，总造价高达4.68亿美元
美国的碳卫星OCO由美国加州理工大学喷气推进实验室负责研制，这是NASA地球系统科学开发计划的重要组成部分
这颗碳卫星号称是测量大气中的二氧化碳浓度空间分辨率最高、测量数据最精准的卫星，卫星的测量采样率每天高达50万~100万次
视场分辨率为3平方千米，这里所说的“视场”，指的是卫星摄像头能够观察到的最大范围，视场越大，观测范围就越宽；卫星的二氧化碳光谱分辨率为20000，精度高达1ppm~2ppm
欧洲
——2002年3月，ENVISAT-1卫星发射成功
欧空局的对地观测卫星系列之一，在该卫星上载有多个传感器，分别对陆地、海洋、大气进行观测，其中最主要的就是名为ASAR（Advanced Synthetic Aperture Radar）的合成孔径雷达传感器
ASAR工作在C波段，波长为5.6厘米。但ASAR具有许多独特的性质，如多极化、可变观测角度、宽幅成像等
同时搭载的用于大气图表的扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY），是全球第一个能测量二氧化碳和甲烷浓度的卫星传感器
——2006年10月在哈萨克斯坦拜科努尔航天中心，欧洲首颗极轨气象卫星“Metop-A”发射升空
2007年5月该星开始正常作业，连续向地面发送气象数值预报（NWP）模型所需关键数据，高纬度地区强影响天气的临近预报，并进行气候监测
“Metop”系列卫星上总共将装载 11 台仪器设备，它们分别由欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT） 、欧空局（ESA） 、法国宇航局（CNES）和美国国家海洋与大气局（NOAA）提供，共同构成了EUMETSAT 极地系统（EPS）空间段
在欧洲与 NOAA 合作实施的“初步联合极地系统” （IJPS）项目中，EPS 属于欧洲部分
欧洲第一代极轨气象卫星最后一颗MetOp C星在2018年11月在库鲁航天中心发射升空
完成系统建设后，三颗“Metop”卫星将能够持续提供连续的覆盖与监测数据
预计之后的任务阶段将由新一代极轨气象卫星MetOp – SG完成
“Metop”系列卫星均由 EADSAstrium公司联合体（均为欧洲企业）建造，由 ESA- EUMETSAT 联合小组监管美日两国发射的碳卫星为全球范围内监测大气中的二氧化碳浓度作出了开创性贡献，这是毋庸置疑的
——2017年10月，欧洲哨兵5P卫星（Sentinel-5P）发射成功
这项新任务将比以往任何时候进行更详细地空气污染物描述。这些初步结果显示出该卫星仪器的先进程度，同时，它们无疑将空气污染问题作为焦点
Sentinel-5P是欧共体（EC）哥白尼（Copernicus）环境监测计划部署的第6颗卫星，但它是第1颗进行大气层监测的卫星
Sentinel-5P搭载迄今为止最先进传感器：Tropomi。这种最先进仪器可以进行二氧化氮、甲烷、一氧化碳和气溶胶等所有影响人们呼吸的空气和气候的污染物地图绘制
虽然西方世界在“碳卫星”领域的水平摇摇领先，可这些发达国家并没有将先进的技术完全用在科学合理的碳排放问题上
期间，它们将这些卫星获得的数据进行恶意的更改、抑或口若悬河，蓄意诽谤和诋毁第三世界国家的碳排放及污染治理情况，已达到其控制、威胁发展中国家的目的
更有甚者，拿此来作为借口进行要挟以达到某些不可告人的政治、经济目的
真乃“是可忍，孰不可忍！”
我国的TANSAT碳卫星后来居上不管是美国发射的OCO碳卫星，还是日本发射的GOSAT碳卫星，都存在技术上的不完美之处。就拿日本的GOSAT碳卫星而言，它每天的有效观测点只有300多个，相当于在地球的几十万平方千米范围内只有一个观测点，并且最小只能探测到10千米范围内大气中二氧化碳的平均值，测量精度和范围都不是太高
鉴于美日两国碳卫星技术的不完美，我国的科学家们对自主研发的TANSAT碳卫星进行了20多项关键技术攻关，克服了重重困难，终于让卫星的技术水平上了一个台阶
——2016年12月22日，中国碳卫星（TANSAT）在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为继日本GOSAT和美国OCO-2后，国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星
我国发射的碳卫星的全称叫“全球二氧化碳监测科学试验卫星”，质量为620千克，在距地700千米的太阳同步轨道上运行，装有高光谱二氧化碳探测仪和多谱段云（气）溶胶探测仪，用来获取全球包括我国重点地区大气中二氧化碳浓度分布图，测量精度为1ppm~4ppm，达到了国际先进水平
TANSAT碳卫星是十二五期间，由中国科技部立项，中国科学院负责工程总体，中国科学院国家空间科学中心、微小卫星创新研究院、长春光学精密机械与物理研究所、大气物理研究所和中国气象局国家卫星气象中心等多家单位共同承担的科学实验卫星计划，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2，下文简称“浓度”）的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料
主载荷高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪，利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射对大气中二氧化碳的含量进行探测，探测主要覆盖氧气（O2）A和CO2吸收谱线（1.61和2.04 ），其中1.61 CO2吸收波段主要用于提取CO2浓度信息，O2 A和2.04 波段主要用于对水汽、气溶胶等干扰因素进行订正与日本的碳卫星相比，我国碳卫星的扫描宽度是20千米，是日本卫星的两倍，同时有效采样点数也比日本卫星高出10倍以上
碳卫星上专门搭载一台多谱段云（气）溶胶探测仪，这是美国的碳卫星没有的，这台仪器非常重要，可以在观测二氧化碳的同时，对大气中的气溶胶进行联合观测，主要是为了解决二氧化碳监测的噪音干扰问题
TANSAT碳卫星研发开始于2011年，其研发的核心动力，是为了打破国外的技术垄断，掌握更多的话语权，同时为应对全球气温变暖献计献策，最终做到资源共享，为全人类的福祉作出贡献
中国科学院大气物理研究所反演算法获取的首幅中国碳卫星大气二氧化碳全球分布图
我国TANSAT碳卫星装载的高光谱二氧化碳探测仪有2000多个通道，光谱解析度极高
它的工作原理是，大气在太阳光照射下，二氧化碳分子会呈现光谱吸收特性，碳卫星通过精细测量二氧化碳的光谱吸收线，就可以反演出大气二氧化碳浓度。卫星每隔16天可完成一次地球二氧化碳测绘，从而能测量地面2平方千米范围内的二氧化碳浓度
当碳卫星采集到原始数据后，通过设置在地面的应用系统，对卫星观测资料进行接收、汇集和加工处理。碳卫星观测完成的全球大气二氧化碳浓度的原始数据，将被传送汇集至中国气象局国家卫星气象中心，研究人员再将数据进行定位、光谱定标和辐射定标处理，产生高精度的高光谱分辨率辐射信号。随后，结合地面监测站的历史数据，再对信号进行反演，最终得到精度在1ppm~4ppm的全球二氧化碳浓度数据
中国碳卫星实测吸收光谱
由于碳卫星的技术难度高，我国的科学家们几经周折，才攻克了最关键的200毫米×200毫米的大面积衍射光栅技术和光谱仪器的定标技术
其中大面积衍射光栅技术由中科院长春光机所研制成功，观测精度达到了原子级别，可以对二氧化碳的吸收光谱进行细分，能够探测2.06微米、1.6微米、0.76微米三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04纳米，如此高的分辨率也创造了国内光谱仪器的最高纪录
另外，TANSAT碳卫星毕竟在真空中运行，时间一长，搭载的测量设备就会因为部件老化和温度不断变化等原因，影响到测量仪器的精度，此时，必须采用定标技术对测量仪器进行精调，才能保障卫星的正常工作。而光学遥感定标技术，也是光谱仪器最终实现精度的关键技术，这种定标系统就犹如一杆秤的刻度，刻度越精准，测量精度越高
除此之外，TANSAT碳卫星还需要解决另外一项关键技术，那就是让卫星根据需要，不停地调整观测角度和位置，保证卫星能用不同的观测模式开展工作。比如，碳卫星可以竖着看、斜着看和盯着看
所谓“竖着看”，指的是天底观测模式，利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测；而“斜着看”，就是耀斑观测模式，利用太阳光在海面的镜面反射提高信噪比，获取海面上空的二氧化碳数据；那么“盯着看”，顾名思义就是卫星在飞行过程中，始终瞄准一个特定目标进行观测，完成预定的任务
今年8月，基于我国第一颗全球二氧化碳监测科学试验卫星“中国碳卫星”的全球碳通量数据集出炉，标志着我国成为继日本、美国之后，第三个具备全球碳收支空间定量监测能力的国家
在我国彻底掌握相关监测数据后，西方发达国家就再也不能一边夸大中国碳排放量，一边借此向中国征收高昂碳关税
而其中核心的核心正是“碳卫星”
从此以后，中国碳排放量的真实数据就有了更可靠的参考来源，科技部国家遥感中心总工程师李加洪，将其比作是中国人自己的“账本”：在碳排放数据上知己知彼，对提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。
种花家百年血耻言犹在耳，鲜血与战争铸就的历史不断警示着国人:
落后就要挨打,发展才能强大!
祝愿中国航天发展壮大，“惟愿诸君将振兴中国之责任，置之于自身之肩上。”
参考资料：
1、中科院“十三五”科技创新成就展示
2、相关媒体
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