“中国数据”为全球大气环境监测作贡献

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熊伟(右一)在指导研究生设计。齐琼/摄

环境污染和气候变化,是制约全球经济和社会可持续发展的重大因素,事关国际社会共同利益,也关系地球的未来。

在安徽合肥西郊风景秀丽的科学岛上,中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所(以下简称安光所)有一支队伍,数十年来,潜心研制星载大气成分遥感探测载荷,有力填补了我国在大气成分数据方面的空白与不足,保障了 中国数据 的自主可控和真实可靠,为环境监管治理和气象气候研究提供了有力手段,提升了我国在环境外交中的话语权。

近期获得中国科学院科苑名匠团队的荣誉称号,是对我们工作非常大的激励和鼓舞。 团队负责人、安光所副所长熊伟告诉《中国科学报》。

首获第一手 中国数据

卫星载荷,就是卫星上装载的实现特定卫星任务的仪器或设备。它相当于一台高分辨率 太空相机 ,可以给大气 拍照 ,获取大气成分数据。

每一种气体都有独一无二的光谱信息,如同人的指纹。研究人员首先通过载荷获取这种 指纹信息 ,分析出它是什么气体,再根据光谱的深浅变化反演出气体浓度变化,最终准确评估气体的状态及其影响。 熊伟说。

大气环境除了与人们的生活息息相关,还与国家的环境外交有很重要的关系。

熊伟介绍,很长时间里,我国对污染气体和温室气体的监测,比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等,主要依靠欧美及日本的卫星数据。因此,在很多环境污染问题上,中国显得相对被动,很难有发言权。

2018年5月9日,我国首颗高分辨率大气环境观测卫星 高分五号01星成功发射。卫星上搭载了6台有效载荷,其中3台由熊伟团队研制。这3台载荷使得我国从此可以定量获得空气质量变化、污染气体分布输运的数据。

随后,针对我国对大气成分数据的迫切需求,熊伟团队多次承担了高分专项、空间基础设施等重大专项中高分五号02星、环境减灾二号卫星以及陆地生态系统碳监测卫星等16颗卫星、多类型20台/套载荷的研发。

这些载荷对中国获取、分析全球大气环境数据,最终发布 中国数据 起到了重要作用,为我国增强气候变化监测、环境监测、应急减灾等方面能力提供了重要支撑。 熊伟表示。

将载荷 搬上 卫星

2011年12月,熊伟团队首次承担高分五号01星载荷研制项目,正式迈上航天载荷的研制征途。 研发的设备能跟随卫星上天,这是科技工作者的荣耀。 熊伟说。

在此之前,他们一直在研发地面探测设备,并取得了诸多成果。这为航天载荷研制奠定了坚实基础。

卫星载荷研制最大的难点在于提高精确度。 比如,目前二氧化碳浓度已达420ppm,而它一年的变化量只有1ppm,载荷首先要在万米高空上 拍到 1ppm这么小的变化量,然后测算出它变化了多少,技术上的挑战是非常大的。 熊伟说。

不同于一般项目,航天项目都设有严格的时间节点。 时间紧、任务重,是研制的另一个难点。所以加班加点是常有的事。 熊伟说。

同时,把卫星载荷这些 大家伙 从实验室 搬上 卫星,还需要 过五关、斩六将 ,在进入发射场前,还会进行震动试验、高低温试验等整星试验。

最重要的是,航天项目不可返工,必须一次成功。为确保卫星载荷 零差错 ,他们在载荷上装载了一个定标装置,这相当于一个秤的砝码。

我们把太阳当成一个标准源,通过比对载荷观测太阳的变化,计算出载荷的衰变,进而修正载荷的观测数据。 熊伟说。

一点点探索,一点点解决 熊伟带领团队,攻克了空间外差超光谱技术、痕量差分光谱探测技术、多角度偏振探测技术等多种关键技术,解决了在轨高精度定标及定量化应用等技术难题。

年轻的力量

2009年,在科学岛上攻读研究生的路美娜加入了熊伟团队。在导师的指导下,她担起让载荷 成像 的任务。

简单来说,就是让载荷给大气 拍照 ,把光信号转换成电信号,对电信号进行采集及传输。 路美娜说,原理说起来都清楚,但实施起来却无从下手,只能靠自己不断尝试、调试。

路美娜已记不清自己花了多长时间、经历了多少次失败,但一直记得载荷传出图像那一刻的感受。 真的特别激动。

如今,路美娜对各种类型的载荷 成像 都轻车熟路。 做科研最重要的是独立摸索,在过程中积累经验,相信付出就会有收获。 她说。

凌明椿也是从研究生阶段进入团队的。 老师们很注重对我们的培养,敢于放手让大家尝试,我们也得以迅速成长。

2017年12月,熊伟团队承担高分五号02星4台载荷的研制工作。与01星不同,这次项目管理单位提出了 一步正样 的要求,即卫星载荷研制阶段直接从原先的原理样机、工程样机、初样、正样调整为正样。

这给团队带来了很大的挑战。彼时,路美娜、凌明椿等年轻力量挑起了大梁,他们站在前辈的 肩膀 上,一年时间内迅速研制出4台卫星载荷。

熊伟介绍,卫星载荷研制涉及光学设计、机械设计、电子学设计、软硬件开发、数据反演等多学科内容。目前,团队拥有固定成员30多名,平均年龄35岁。团队先后获得安徽省科学技术进步奖一等奖2项、航天贡献奖等多个集体荣誉和个人奖项。

在熊伟看来,与一群志同道合的同事朝着一个共同的目标,把一件原本认为不可能完成的事情做成了,满足了国家的需求,这便是做科研最大的乐趣。

未来,我们将进一步发展相关载荷技术,力争为我国环境、气象、资源、遥感等领域的科技自立自强作出更大贡献。 熊伟表示,目前,他们正在研制两台装载在 大气二号 卫星上的载荷。

来源:中国科学报 作者:王敏
责任编辑:李颖

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