“空中之眼”让甲烷无处遁形

2024-08-27 10:07:08 来源：科技日报

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温室气体增加会直接导致全球气候变化，对各国经济及人类生活造成巨大影响。甲烷作为地球的第二大温室气体，在全球变暖过程中导致的增温强度远高于二氧化碳。

近日，记者从陕西西咸新区空港新城了解到，区内企业西安中科西光航天科技有限公司（以下简称“中科西光”）成功研制出国内首颗F-P体制点源甲烷监测卫星——XIGUANG-004卫星，填补了国内商业化双碳监测卫星的空白。

搭载多种先进设备

“这颗卫星搭载了甲烷浓度探测仪、叶绿素荧光探测仪及多光谱成像相机，可用于监测甲烷泄漏位置、评估甲烷泄漏量，判断碳产生源及评估地区级碳中和能力。”中科西光数据应用副总监秦小宝介绍，整颗卫星重75千克，是国内首颗完全对标GHGsat卫星的高空间分辨率点源甲烷监测卫星。

现有载荷技术均面向大卫星平台，实现大幅宽下的低空间分辨率监测，但无法对小型人为排放源进行高效率、高精度的监测，难以实现点源探测。“因此，我们需要开展高精度、高空间分辨的卫星遥感碳监测技术研究。”秦小宝说。

XIGUANG-004卫星基于超精细光谱探测技术，空间分辨率较高、体积及重量较小，符合温室气体探测技术的主要发展趋势。该卫星搭载的甲烷浓度探测仪基于法布里-珀罗（F-P）干涉成像技术，可实现0.1纳米的光谱分辨率、25米空间分辨率，具备甲烷柱浓度定量探测、点源甲烷排放高空间分辨率监测等功能；叶绿素荧光探测仪的光谱分辨率高达0.5纳米，可有效探测植物叶绿素进行光合作用时产生的微弱荧光光谱变化信息，实现对植物生产总量的评估；多光谱成像相机地面分辨率为10米，主要用于采集地物影像。

“它还具备覆盖范围大、速度快、周期稳定等优点。”秦小宝介绍，该卫星将于年内择期在酒泉卫星发射中心发射。

目前，大量的甲烷气体点源，主要通过煤矿开采、垃圾填埋、水稻耕作、饲养牲畜等活动产生。“这颗监测卫星就像天空之眼一样。借助它，我们能够实现全球范围内点源甲烷的排放监测与追踪。”秦小宝说，该卫星可为环境监测、能源等多个领域提供数据支持和决策参考，助力我国加快形成甲烷排放监管体系，推进减污降碳协同增效，为实现碳中和目标贡献力量。

反演推导甲烷浓度信息

搭载了众多监测设备，这颗卫星具体是怎么工作的？

为了获取整个场景的完整光谱，卫星在飞过目标地点时，会捕捉多达200张重叠图像，利用所有相关波长对每个特征进行测量。这意味着卫星要在轨道上不断调整方位，使得获取图像的时间最大化。

这种从光谱测量中获得气体浓度信息的计算过程被称为反演。反演的第一步是在发射前正确描述甲烷载荷的特性；第二步是匹配图像，例如卫星观察到一个泄漏甲烷的气井，可以通过图像顺序跟踪完整光谱场景中的所有地面位置，为观察者提供200多个读数。

秦小宝解释：“如果我们盯着地球上的同一个地方看，当这个地方在相机画面里从中心移到边缘时，它的波长会慢慢变短。当一个地方甲烷的浓度突然变高，这个地方发出的红外信号就会有一个小小的、但是可以预测的变化。基于此，我们开发出一种物理模型，该模型可根据波长信号判断甲烷浓度。这样我们就可以把实际观测到的波长信号和模型中的参数做比较，以确定实际的甲烷浓度数值。而根据该模型确定甲烷浓度非常精准，可用‘百万分比例’来表示。”

作为西北地区唯一全产业链布局的商业航天企业，中科西光始终致力于推动航天技术的创新与应用。此次研发团队用时两年研制出XIGUANG-004卫星。凭借研制该卫星的经验，团队未来有望在“双碳”监测领域取得更多突破，为国家可持续发展重大战略决策和全球气候变化研究提供更为精准的数据支持。

2022年7月，作为秦创原临空产业聚集区和开放合作示范区的陕西西咸新区空港新城与中科西光正式签约。西咸新区空港新城党委委员、管委会副主任王新说，双方计划打造国内首个基于高光谱技术的卫星大数据应用中心，以及国际领先、国内一流的卫星总装基地、商业航天创新基地与科技人才培养基地。

秦小宝介绍，预计至2025年，项目将形成30颗卫星的在轨规模、年产10颗卫星的生产能力；至2030年，将建成由108颗卫星组成的国内最大高光谱星座系统。