探秘安徽造“天眼”
大气痕量气体差分吸收光谱仪。
大气主要温室气体监测仪。
大气气溶胶多角度偏振探测仪。
·新闻提示·
近日，生态环境部、中国气象局等用户单位在北京共同签署高分五号卫星在轨投入使用证书，标志着由中科院合肥物质科学研究院安徽光机所为高分五号卫星研制的用于大气环境探测的三台载荷正式交付。这三台“天眼”有何神通？它们将怎样对大气主要污染气体、温室气体、云和气溶胶进行综合探测？记者就此采访了这三台载荷的设计师。
利用光谱 “看”得更清楚
高分五号卫星于2018年5月9日成功发射升空，目前已圆满完成各项在轨测试任务。“高分五号共搭载了六台有效载荷，其中用于大气环境探测的三台主要载荷分别是大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪，由安徽光机所研制。”安光所光学遥感中心主任洪津告诉记者。
“常见遥感卫星的主要功能是对地拍摄图像，获得地表信息，用于测绘、地物类型识别等，我们称之为‘看图说话’。”洪津告诉记者，“这种方式能看出一些污染结果，如水体污染；但要看清污染物质是什么、污染浓度多大，特别是监测大气污染，光靠‘看图说话’是不行的，因为常规的对地成像技术做不到。利用诸如高光谱、偏振、多角度成像这些‘特殊’的光学技术手段，则可以精确地探测大气层中的污染气体成分、温室气体含量以及气溶胶。”
地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”，是用以识别和分析不同物体特征的一种重要“身份证”。
光谱分辨率指仪器区分电磁光谱各波长间隔的能力，高光谱有识别地表物质（地物）的能力。光谱的分辨率越高，对物质的识别能力就越强。在紫外可见波段，一般分辨率几十纳米量级的为多光谱，几纳米的是高光谱，分辨率为零点几个纳米的，则是超光谱。“我们为高分五号研制的三台载荷中，大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱分辨率达到了0.5纳米，就是超光谱。”大气痕量气体差分吸收光谱仪的主任设计师、安光所紫外可见光谱研究室主任司福祺告诉记者，他们研制的这台载荷是我国在轨紫外可见光谱分辨率最高的卫星载荷，自2018年5月9日随高分五号升空以来，已经精确地实现对大气中臭氧、二氧化氮、二氧化硫等的遥感定量反演，为用户单位获取了大量有重要价值的数据。
气溶胶颗粒物的探测，除了也需要利用光谱信息之外，还用上了偏振技术，以及多角度观测的技术。“你坐在飞机上往下看，看到的地面上蒙了白花花面纱一样的一层，就是气溶胶。这里面究竟有什么我们肉眼看不出来，但大气气溶胶多角度偏振探测仪则能监测出来。利用了光谱信息、偏振信息以及多角度的信息，我们就可以知道各种粒径的气溶胶含量，包括PM2.5。”洪津说。
各显神通 探测大气污染更专业
“监测大气环境，三台载荷各有神通。”洪津介绍，他们研制的大气气溶胶多角度偏振探测仪能实现全球大气气溶胶和云的光学及微物理参数探测，为全球气候变迁研究及对地观测高精度大气辐射校正提供有效数据，同时可实现大气细颗粒物污染监测的功能。该载荷具有高精度、多光谱、多角度、偏振特性的专用气溶胶探测能力，其空间分辨率优于国际同类型卫星载荷，发射后将在三年左右的时间里成为全球唯一一台业务化运行的偏振气溶胶观测载荷。“大气气溶胶多角度偏振探测仪有8个光谱通道，9个角度，目前已经可以制作全球的气溶胶产品，包括PM2.5浓度和灰霾污染分布的产品。”洪津说。
大气主要温室气体监测仪，能定量监测大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体，通过获取氧气、二氧化碳、甲烷的高精度吸收光谱信息，反演大尺度范围大气主要温室气体浓度数据。“这台载荷采用全新技术路线，信噪比高，信号灵敏度高。以对二氧化碳柱浓度的探测为例，大气中二氧化碳柱浓度一般在400-410ppm（百万分之一），一年之中的变化幅度只有几个ppm，我们研制的大气主要温室气体监测仪，监测精度优于1个ppm，达到国际先进水平。”光学遥感中心副主任、大气主要温室气体监测仪的主任设计师熊伟告诉记者，“现在大气主要温室气体监测仪主要用于全球气候变化研究，其空间分辨率为10公里。下一步，我们将研制用于环保执法的监测仪，空间分辨率会优于1公里，对小范围的超标排放都能实时监测到。”
大气痕量气体差分吸收光谱仪，是我国第一台用于大气痕量气体探测的高光谱分辨率成像光谱仪，用于定量监测我国上空及全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程，分析人类活动排放和自然排放过程对大气组成成分、空气质量以及全球气候变化的影响。“这些痕量气体包括二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧等，其浓度变化对环境影响很大。”“痕量气体本身具有非常精细的特征和光谱的吸收结构，只有光谱分辨率足够高，才能将它们区分开。这个区分的过程相当于我们用高分辨仪器提取出不同污染物的‘指纹’。”司福祺表示，监测痕量气体，用的是成像光谱仪，而不是相机，只有超光谱的仪器才能对痕量气体加以监测。大气痕量气体差分吸收光谱仪必须具备高的信噪比才能把这种微小的痕量气体吸收反演（观察）出来，从而区别污染物的种类，并计算出浓度。“现在环保、气象部门都在使用我们采集的数据，应用前景十分广阔。”
填补空白 减少对国外数据的依赖
要保护我们的环境，必须随时“监视”生态环境的变化，即进行生态环境监测。如果只是自己的“一亩三分地”，凭借一双肉眼或者一些地面设备就可以实现监测。但如果是数百万平方公里的土地和浩瀚的天空，仅靠地面上的“眼睛”是远远不够的。这时候，就必须依靠卫星遥感这个“天眼”收集数据。“我们研制大气环境监测卫星载荷，还有一个目的，就是要增强我国在环境监测领域的话语权，帮助国家环保部门、气象部门拿到第一手的大气环境数据。”熊伟说，美国、欧洲以及日本在这方面研发较早，有大气环境监测卫星，但他们提供的数据都是经过处理的，不是第一手的。高分五号的发射，填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白。
“我们的载荷上了天，对提高我国卫星高光谱数据的自给率、减少我国对国外高光谱卫星数据的依赖发挥了重要作用。”熊伟表示，以大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪两台载荷为例，它们分别拥有114°和120°宽幅成像视场，在轨飞行1天即可获得全球数据。
“2018年上海进博会期间，高分五号卫星每天为有关部门提供第一手空气质量数据，用户很满意。现在我国环保、气象部门都在使用我们采集的数据，不再单纯地依赖国外卫星提供的数据。”司福祺表示，同国际先进水平相比，我们已经从跟跑发展到并跑，研发的大气痕量气体差分吸收光谱仪分辨率高、光谱范围宽，可实现多种痕量气体的定性定量测量，具备了建立我国区域和全球范围的大气成分监测和预警技术体系的能力。下一步，我们将进一步提升大气痕量气体差分吸收光谱仪的空间分辨率，我们的目标是在现在的基础上将空间分辨率提升10倍，如果做到这一点，就能更精准地定位地面污染源，区分污染源间的相互影响。“未来，我们一定能获取全球大气污染物的精确分布信息，精准定位污染源，让大气环境治理更加有的放矢。”司福祺说。
科学卡片
高分五号是一颗什么样的卫星
高分五号是我国高分专项(高分辨率对地观测系统重大专项)规划的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星，是我国首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，也是我国高分专项中一颗重要的技术试验星。
高分五号卫星是以生态环境部为牵头用户、自然资源部和中国气象局等为主要用户的环境专用卫星，具有高光谱、大范围、定量化探测等特点，面向生态环境监测搭载的多个大气探测载荷具备大幅宽、高光谱及偏振探测能力，使二氧化氮和二氧化硫等污染气体、二氧化碳和甲烷等温室气体高精度遥感探测成为可能。
高分五号的发射，填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，对于动态监测我国大气污染状况、进行大气污染防治具有重要意义。
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