北京日报客户端 | 记者 王鸿良
8月4日，我国陆地生态系统碳监测卫星（简称碳星）“句芒”号在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射，其主要任务是监测陆地生态系统能吸收多少二氧化碳。“句芒”是中国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木的发芽生长，碳星取名“句芒”，意为它能监测陆地森林和植被的碳汇水平。我们约请知名科普作者张田勘来聊聊这颗卫星工作的原理。
陆地生态系统碳监测卫星模拟图。（国家航天局供图）
碳汇监测实现里程碑式飞跃
森林能够吸收并储存二氧化碳，因而成为地球上一个巨大的碳库。碳汇就是指森林吸收并储存二氧化碳的能力。过去，中国的碳汇测量主要依靠人工对森林植被进行抽样监测。
从森林面积上看，中国是世界上人工林面积最大的国家，人工林面积已达7954.28万公顷，具有较大的固碳能力。截至2020年年底，中国森林覆盖率达到23.04%，森林蓄积量175亿立方米。按照国家有关部署，到2025年，森林覆盖率将达到24.1%，森林蓄积量达到180亿立方米；到2030年，森林覆盖率将达到25%左右，森林蓄积量达到190亿立方米。未来随着我国森林面积的增长，森林这个碳库的固碳能力还会增加。
对于中国如此巨大的森林碳库，仅仅靠人工和抽样监测碳汇耗时旷日持久，效率和精准度上也不尽如人意，难以胜任未来的碳汇监测。现在，碳星的应用标志着中国碳汇监测进入天基遥感时代，无论从效率还是准确度来看，与过去的传统方式监测相比，都是一个里程碑式的飞跃。
碳星“句芒”号由中国航天科技集团五院遥感卫星总体部研制，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量。这也意味着，中国的碳汇监测已经从地面走向空间，从平面走向立体，从局部走向全局，能为中国的碳中和、碳达峰提供更为精确的科学数据，也有利于完成中国的碳减排任务，为缓解气候变化做出中国的贡献。
遥感卫星是如何进行碳汇测量的呢？要计算森林碳汇能力，需要几个方面的数据，包括叶绿素荧光、植被高度、植被面积、大气PM2.5含量等，而碳星配置的多种高精工具和仪器，能获得这些方面的数据。因此，碳星也被称为森林碳汇监测的“专业之星”。
测量叶绿素荧光取得国际突破
通过对叶绿素的监测能获取比较真实的碳汇数据。植物中的叶绿素是完成光合作用的关键因素，在这个过程中需要吸收大量的二氧化碳。光合作用机制可简化为公式：二氧化碳+水+光能 能量-富含碳的分子+氧气。
根据测算，地球植被和海洋植物、微生物等进行的光合作用每年从大气二氧化碳中固定1150亿到1200亿吨碳，其中600亿吨来自陆地。2008年8月美国《科学》杂志发表的一项研究指出，叶绿素D是吸收波长700纳米至750纳米的近红外线进行光合作用的唯一色素，由此对地球上的碳循环产生重要影响。研究估计，若将全球范围内叶绿素D吸收的二氧化碳换算成碳，每年可固碳约10亿吨。
尽管不同研究以不同变量估算的叶绿素光合作用吸收大气中的二氧化碳并因此而固定的碳量不同，但能够确认的是，通过监测叶绿素的光合作用可以进行碳汇监测。而测量叶绿素吸收碳可以通过监测叶绿素荧光来实现。
叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%至2%以荧光的形式发射出来，因此在过去难以监测。现在，中国研究人员为碳星“句芒”号配置了超光谱探测仪，并使用了光栅分光原理，能将光谱分辨率提高10倍，达到0.3纳米的精细探测，这也是国际上的首次突破，能够探测到人眼所看不到的太阳光细微的明暗变化。
超光谱探测仪能将670纳米至780纳米这段光的颜色展分成1000多个渐变色彩，从而有效地寻找隐匿在某些渐变色角落里的叶绿素荧光。通过叶绿素荧光高精度制图，可以监测和计算陆地上森林和植被吸收的碳量。
精准测量整片森林树木高度
研究表明，全球陆地生态系统所蕴含的所有碳元素中，有大约62%至78%蕴藏在森林这个复杂系统里，其中又有近7成蕴藏在森林的土壤里。2020年联合国粮农组织《全球森林资源评估报告》指出，全球森林总碳储量达到6620亿吨，主要储存在森林生物质（约44%）、森林土壤（约45%）以及凋落物（约6%）和枯死木（约4%）中。
