“中國數(shù)據(jù)”為全球大氣環(huán)境監(jiān)測作貢獻(xiàn)

熊偉(右一)在指導(dǎo)研究生設(shè)計。齊瓊/攝

環(huán)境污染和氣候變化，是制約全球經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大因素，事關(guān)國際社會共同利益，也關(guān)系地球的未來。

在安徽合肥西郊風(fēng)景秀麗的科學(xué)島上，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡稱安光所)有一支隊伍，數(shù)十年來，潛心研制星載大氣成分遙感探測載荷，有力填補(bǔ)了我國在大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)方面的空白與不足，保障了“中國數(shù)據(jù)”的自主可控和真實(shí)可靠，為環(huán)境監(jiān)管治理和氣象氣候研究提供了有力手段，提升了我國在環(huán)境外交中的話語權(quán)。

“近期獲得中國科學(xué)院科苑名匠團(tuán)隊的榮譽(yù)稱號，是對我們工作非常大的激勵和鼓舞。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、安光所副所長熊偉告訴《中國科學(xué)報》。

首獲第一手“中國數(shù)據(jù)”

衛(wèi)星載荷，就是衛(wèi)星上裝載的實(shí)現(xiàn)特定衛(wèi)星任務(wù)的儀器或設(shè)備。它相當(dāng)于一臺高分辨率“太空相機(jī)”，可以給大氣“拍照”，獲取大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)。

“每一種氣體都有獨(dú)一無二的光譜信息，如同人的指紋。研究人員首先通過載荷獲取這種‘指紋信息’，分析出它是什么氣體，再根據(jù)光譜的深淺變化反演出氣體濃度變化，最終準(zhǔn)確評估氣體的狀態(tài)及其影響。”熊偉說。

大氣環(huán)境除了與人們的生活息息相關(guān)，還與國家的環(huán)境外交有很重要的關(guān)系。

熊偉介紹，很長時間里，我國對污染氣體和溫室氣體的監(jiān)測，比如二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、甲烷等，主要依靠歐美及日本的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。因此，在很多環(huán)境污染問題上，中國顯得相對被動，很難有發(fā)言權(quán)。

2018年5月9日，我國首顆高分辨率大氣環(huán)境觀測衛(wèi)星——高分五號01星成功發(fā)射。衛(wèi)星上搭載了6臺有效載荷，其中3臺由熊偉團(tuán)隊研制。這3臺載荷使得我國從此可以定量獲得空氣質(zhì)量變化、污染氣體分布輸運(yùn)的數(shù)據(jù)。

隨后，針對我國對大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)的迫切需求，熊偉團(tuán)隊多次承擔(dān)了高分專項(xiàng)、空間基礎(chǔ)設(shè)施等重大專項(xiàng)中高分五號02星、環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星等16顆衛(wèi)星、多類型20臺/套載荷的研發(fā)。

“這些載荷對中國獲取、分析全球大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，最終發(fā)布‘中國數(shù)據(jù)’起到了重要作用，為我國增強(qiáng)氣候變化監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急減災(zāi)等方面能力提供了重要支撐。”熊偉表示。

將載荷“搬上”衛(wèi)星

2011年12月，熊偉團(tuán)隊首次承擔(dān)高分五號01星載荷研制項(xiàng)目，正式邁上航天載荷的研制征途。“研發(fā)的設(shè)備能跟隨衛(wèi)星上天，這是科技工作者的榮耀。”熊偉說。

在此之前，他們一直在研發(fā)地面探測設(shè)備，并取得了諸多成果。這為航天載荷研制奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

衛(wèi)星載荷研制最大的難點(diǎn)在于提高精確度。“比如，目前二氧化碳濃度已達(dá)420ppm，而它一年的變化量只有1ppm，載荷首先要在萬米高空上‘拍到’1ppm這么小的變化量，然后測算出它變化了多少，技術(shù)上的挑戰(zhàn)是非常大的。”熊偉說。

不同于一般項(xiàng)目，航天項(xiàng)目都設(shè)有嚴(yán)格的時間節(jié)點(diǎn)。“時間緊、任務(wù)重，是研制的另一個難點(diǎn)。所以加班加點(diǎn)是常有的事。”熊偉說。

同時，把衛(wèi)星載荷這些“大家伙”從實(shí)驗(yàn)室“搬上”衛(wèi)星，還需要“過五關(guān)、斬六將”，在進(jìn)入發(fā)射場前，還會進(jìn)行震動試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等整星試驗(yàn)。

最重要的是，航天項(xiàng)目不可返工，必須一次成功。為確保衛(wèi)星載荷“零差錯”，他們在載荷上裝載了一個定標(biāo)裝置，這相當(dāng)于一個秤的砝碼。

“我們把太陽當(dāng)成一個標(biāo)準(zhǔn)源，通過比對載荷觀測太陽的變化，計算出載荷的衰變，進(jìn)而修正載荷的觀測數(shù)據(jù)。”熊偉說。

一點(diǎn)點(diǎn)探索，一點(diǎn)點(diǎn)解決……熊偉帶領(lǐng)團(tuán)隊，攻克了空間外差超光譜技術(shù)、痕量差分光譜探測技術(shù)、多角度偏振探測技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)，解決了在軌高精度定標(biāo)及定量化應(yīng)用等技術(shù)難題。

年輕的力量

2009年，在科學(xué)島上攻讀研究生的路美娜加入了熊偉團(tuán)隊。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，她擔(dān)起讓載荷“成像”的任務(wù)。

“簡單來說，就是讓載荷給大氣‘拍照’，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號進(jìn)行采集及傳輸。”路美娜說，原理說起來都清楚，但實(shí)施起來卻無從下手，只能靠自己不斷嘗試、調(diào)試。

路美娜已記不清自己花了多長時間、經(jīng)歷了多少次失敗，但一直記得載荷傳出圖像那一刻的感受。“真的特別激動。”

如今，路美娜對各種類型的載荷“成像”都輕車熟路。“做科研最重要的是獨(dú)立摸索，在過程中積累經(jīng)驗(yàn)，相信付出就會有收獲。”她說。

凌明椿也是從研究生階段進(jìn)入團(tuán)隊的。“老師們很注重對我們的培養(yǎng)，敢于放手讓大家嘗試，我們也得以迅速成長。”

2017年12月，熊偉團(tuán)隊承擔(dān)高分五號02星4臺載荷的研制工作。與01星不同，這次項(xiàng)目管理單位提出了“一步正樣”的要求，即衛(wèi)星載荷研制階段直接從原先的原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、初樣、正樣調(diào)整為正樣。

這給團(tuán)隊帶來了很大的挑戰(zhàn)。彼時，路美娜、凌明椿等年輕力量挑起了大梁，他們站在前輩的“肩膀”上，一年時間內(nèi)迅速研制出4臺衛(wèi)星載荷。

熊偉介紹，衛(wèi)星載荷研制涉及光學(xué)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、電子學(xué)設(shè)計、軟硬件開發(fā)、數(shù)據(jù)反演等多學(xué)科內(nèi)容。目前，團(tuán)隊擁有固定成員30多名，平均年齡35歲。團(tuán)隊先后獲得安徽省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎2項(xiàng)、航天貢獻(xiàn)獎等多個集體榮譽(yù)和個人獎項(xiàng)。

在熊偉看來，與一群志同道合的同事朝著一個共同的目標(biāo)，把一件原本認(rèn)為不可能完成的事情做成了，滿足了國家的需求，這便是做科研最大的樂趣。

“未來，我們將進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)載荷技術(shù)，力爭為我國環(huán)境、氣象、資源、遙感等領(lǐng)域的科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)。” 熊偉表示，目前，他們正在研制兩臺裝載在“大氣二號”衛(wèi)星上的載荷。