2024-09-01
科技前沿｜香港科大攜手吉林研高精[碳衛星」
2024年9月1日，香港科大土木及環境工程學系「傑出創科學人」、星睿雲智科技有限公司創始人兼董事長蘇慧教授接受大公報採訪，報道如下：
大公報刊登版面
去年香港科技大學與吉林省的長光衛星技術股份有限公司（以下簡稱長光衛星）合作發射衛星，今年又再次公布科大與中國科學院長春光機所合作研發高精度「碳衛星」的消息，並將創新性地加入監測甲烷的功能。近日，大公報記者採訪到該項目共同負責人香港科大教授蘇慧，了解項目進度，「我們目標是2025年的年底要把『碳衛星』做好。」項目共同負責人、科大土木及環境工程學系系主任張利民說，在國家的支持下，港澳科技人員可以承擔更多重大科技項目。
記者了解到，香港與吉林在太空領域有兩次合作，首次是2023年8月25日與長光衛星在酒泉衛星發射中心發射一顆名為「香港科大─雄彬一號」的多光譜光學衛星，以監測全球環境、災害及獲取可持續發展相關的遙感數據。科大也因此成為首家發射地球遙感衛星的香港高等院校。該衛星已經在去年香港「世紀黑雨」中發揮作用。
今年，香港科大再次與吉林省合作，計劃2026年將「碳衛星」安置在中國「天宮」空間站，監測全球中低緯度地區的二氧化碳和甲烷濃度，一方面幫助全球破解溫室難題，一方面也可以為大中型的碳排放企業，提供定量數據支持。
6月18日至20日，2024長春國際光電博覽會舉辦，作為內地第一家商業遙感衛星公司，長光衛星攜同參會的明星產品，就包含與香港科技大學聯手研發的「香港科大─雄彬一號」衛星。長光衛星辦公室主任張曉磊介紹該衛星如數家珍，「這顆衛星是『吉林一號』寬幅02A星，從立項到成功發射大約歷時兩年時間，實現了多個技術突破。」張曉磊介紹，此衛星是新一代覆蓋型衛星的首發星，其有效載荷為一台離軸四反光學相機。在性能指標與「吉林一號」寬幅01系列衛星相當的前提下，整星重量成功由寬幅01星的1200kg級降至230kg級，可為用戶提供150km幅寬、0.5m分辨率的高清衛星影像產品。
張曉磊解釋，衛星的小型化、輕量化不僅有利於降低製造和發射成本，還能提高衛星的覆蓋性和應用性能，能夠更快地響應並提供實時數據支持，為決策部門提供有力的幫助。
然而，實現衛星的小型化、輕量化並非易事。張曉磊表示，研發過程中需要克服許多技術難點，如衛星結構的優化以及展開機構的可靠性等。特別是摺疊板結構的展開和震動問題，對衛星的拍照精度和穩定性提出了更高要求。最終經過兩方團隊的不懈努力，這些技術難題最終得到了成功解決。
「碳衛星」的發射將是一個里程碑，項目立項之初，香港與吉林就制定了世界級的先進方案，「我們要設計一個產品，不能只是照搬國外已經做過的東西，我們一定要有自己的獨創性，有先進性。」蘇慧說，科大最終決定與長春光機所，以及中國空間應用中心一起合作討論世界先進性的方案。
「控制甲烷的排放是一個全球關注的重點。所以我們這個項目跟國際上有很多做碳監測的項目不同，我們不僅測二氧化碳，還測甲烷，這兩個是同時測的，而且要達到足夠的精度。所以在這一點上非常有創新性的，可以說是一個世界領先的一個技術。」蘇慧補充，經過多次探討研究，最後確定此項目載荷目標是測定排放點源。「點源是指針對一些排放點，比如說煤礦、發電廠這種大型的排放源，他們都釋放很多的二氧化碳和甲烷。我們針對他們做一個很精細的測量，因為他們也是對溫室氣體的增加最重要的一些源頭。所以對點源的空間的解析度要特別的細，這樣我們才能真正能做到在設施尺度上的排放監測。」
香港科大─雄彬一號
• 民用最高級別
• 重量由1200kg級降至230kg級
• 解像度達0.5米，成像幅寬逾150公里
• 是目前公用歐洲太空總署哨兵二號光學衛星解像度的20倍
上圖：「香港科大—雄彬一號」高分辨光學衛星傳回的首批高清衛星影像。下圖：「香港科大─雄彬一號」高分辨光學衛星一比一復刻
• 高分辨率全球溫室氣體探測項目
• 同時檢測二氧化碳和甲烷排放
• 測量精度高
以衛星實現大氣溫室氣體探測是基於大氣吸收池原理，二氧化碳、氧氣等氣體在近紅外至短波紅外波段有較多的氣體吸收，形成特徵大氣吸收光譜，對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息並排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應用反演算法即可計算出衛星在觀測路徑上二氧化碳的柱濃度。
要獲取高精度的大氣吸收光譜，就要依靠高光譜與高空間分辨率二氧化碳探測儀。此外，多譜段雲與氣溶膠探測儀可以測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為精確反演二氧化碳濃度剔除干擾因素。
「碳衛星」的升空無疑是在太空裏為地球安插一隻監測的「眼睛」。香港科大教授蘇慧向大公報披露，「碳衛星」投入使用後，將覆蓋南緯42度至北緯42度的廣闊區域，為全球範圍內的碳源排放提供精確監測數據，助力全球各國共同應對氣候變化挑戰。
蘇慧介紹，甲烷作為第二大溫室氣體，其短期內的增溫效果尤為顯著，約為二氧化碳的80倍。雖然甲烷在大氣中的留存時間相對較短，但其短期內對氣候變化的影響不容忽視。而碳衛星系統能夠精確監測甲烷等溫室氣體的排放情況，為各國制定針對性的減排措施提供科學依據。
此外，該區域也是人類活動範圍的主要區域，可以說「碳衛星」系統具備了全球點源排放監測的能力。無論是新加坡、馬來西亞還是南非等國的點源排放情況，都能夠被該系統精確捕捉並進行分析。這些數據將通過國際合作機制進行共享，為全球各國制定減排計劃和應對氣候變化提供有力支持。
蘇慧期待地表示：「這一系統不僅能夠支持中國自己的減排計劃，也能夠支持全球多個國家和地區的減排行動。通過國際合作，共同應對氣候變化挑戰，將為全人類的未來發展創造更加美好的前景。」
談及「碳衛星」的實際應用時，蘇慧表示，這項技術可以輔助政府環境監測部門制定碳減排措施，為大排放企業提供定量化的技術支持。具體而言，「碳衛星」能夠監測到企業排放的二氧化碳含量，並生成相關報告和核查數據，從而幫助企業了解自身的排放情況，制定更為精準的減排計劃。此外，「碳衛星」還能監測固碳技術的效果，為企業提供長期觀測數據，支持其評估固碳措施的有效性。
在碳資產管理方面，「碳衛星」同樣發揮着重要作用。森林作為重要的碳匯，其吸收二氧化碳的能力具有商業交易價值。然而，如何準確評估森林的碳匯能力一直是一個難題。蘇慧表示，通過「碳衛星」的光學遙感技術，可以清晰地看到森林的生長狀況，進而估算其固碳能力，為碳交易市場提供準確的數據支持。蘇慧解釋，與傳統監測手段相比，「碳衛星」具有看得廣、看得清的優勢，與地面觀測形成有效互補。特別是在監測地表溫度、植被覆蓋、土壤濕度等多項指標時，「碳衛星」能夠幫助政府和科研人員更準確地了解碳排放和碳儲存情況。
