首个香港科研载荷登入中国“天宫”从空间站监测温室气体排放

　　由香港科技大学（下称“港科大”）牵头研制的全球首款轻小型、高分辨率、高精度二氧化碳（CO₂）与甲烷（CH4）点源协同探测仪“天韵相机”，于5月11日随天舟十号货运飞船顺利升空，并成功运抵中国“天宫”空间站。

　　这不仅是香港首项登上国家太空站的科研载荷，更标志着香港在高端航天仪器研发领域实现历史性突破。5月13日，记者从港科大记者会上获悉，这款“天空之眼”作为全球首款轻小型高精度温室气体点源探测载荷，未来将在国家太空站持续运作，精准监测特定范围内温室气体排放浓度，甚至识别出具体哪根烟囱在排放。

　　项目将为国家提供自主、可控、高可信度的二氧化碳与甲烷排放监测数据，直接服务于国家“碳达峰、碳中和”战略目标，并为“美丽中国”建设及全球气候治理提供科学支撑。

　　近年来，全球气候变化引发日益频繁的极端天气，且有持续加剧趋势。《巴黎气候协定》明确指出，自2023年起，全球需每五年进行一次碳排放盘点。我国也确定了力争“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标。

　　然而，目前尚缺乏一套可靠的碳监测与核查体系，以验证碳信用额、确定碳排放定价，从而推动碳交易市场的发展。针对这一迫切需求，港科大研发团队认为可利用卫星遥感技术，对地球温室气体浓度进行高时空分辨率的监测，为全球碳盘点提供关键的数据支撑。2023年11月，中国载人航天工程代表团赴香港、澳门访问。在与师生互动时，港科大研发团队提出了这一想法并得到认可。

　　2024年底，项目获中国载人航天工程空间应用系统总体单位——中国科学院空间应用工程与技术中心（空间应用中心）正式委托立项，由港科大牵头、与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长光所）合作研制。

　　“在两年多的合作过程中，我们也深刻体会到香港深厚的科研实力和丰富的人才储备，与内地令人惊叹的工程化落地实力。”项目负责人、港科大土木及环境工程学系讲座教授苏慧说，在短短两年内将这样一台精密仪器从无到有地制造出来，以他们过去在美国太空署工作的经历来看基本不可能，堪称奇迹。

　　研发过程中，港科大研发团队面临过不少攻坚克难的艰难时刻。其中，为了实现高达0.2纳米的严苛光谱分辨率，仪器在加工环节遭遇了极大的技术瓶颈。在长达四五个月的时间里，港科大一直未能达到既定的性能目标。

　　直到2025年9月，团队前往长光所进行联合技术会商，最终成功找到了突破口。双方对加工环节的具体技术指标进行了进一步的细化与优化，经过数月的全力攻坚终于达到了要求。

　　“未来中国航天科技的发展，内地和香港的深度融合是一个必然的趋势，也是能够取得胜利的条件。”苏慧感星空综合集团慨道。

　　港科大师生团在海南现场观摩搭载天舟十号货运飞船的长征七号遥十一运载火箭顺利发射。受访者供图

　　据苏慧介绍，项目的主要观测区域聚焦于全球中低纬度地带，涵盖全球人口密集、工业活动频繁的大部分地区。通过高精度的仪器，项目可覆盖监测全国99%以上的煤电厂二氧化碳排放量，以及99.9%以上的煤矿甲烷排放量。

　　探测主要基于光谱吸收特性：当太阳光穿过大气层，经地面反射后再次穿过大气层并最终到达探测器时，光路中遇到的二氧化碳和甲烷分子会在特定谱线上产生强烈吸收。通过观测吸收谱线的强度，精准反演出大气中温室气体的浓度分布。

　　由于仪器需搭载于空间站特定舱位，对载荷的重量与体积有着极为严苛的限制，因此“小型化、轻量化”成为仪器设计的核心特点，甚至比家用洗衣机更小。团队设计的光学系统包含四个独立探测镜头，各司其职——

　　位于两侧二氧化碳与甲烷镜头，分别负责核心温室气体的浓度探测；中间的氧气镜头，可以提供理想的大气背景参考，与前者星空综合集团探测数据相结合计算相应浓度。气溶胶镜头则是小型辅助镜头，用于剔除气溶胶对甲烷和二氧化碳浓度测算的干扰，从而确保数据的准确性，这也是国内外现有温室气体探测仪不具备的。

　　通过100米的高精度空间分辨率，项目可以实现对排放点源的精准定位，明确识别出具体是哪家工厂的烟囱或哪个煤矿的出井口在进行排放。为了实现上述多目标探测，仪器具备极高的光谱分辨率（0.2纳米）。在既定的波段范围内，系统能够精细解析出200多条光谱线，从而清晰捕捉到不同波长下细微的频谱变化。

　　作为全球首款高分辨率二氧化碳与甲烷协同探测仪，它能够在100米的空间分辨率下同步完成对两种温室气体的精准测量，并凭借极高的信噪比（大于200），实现对排放点源的精准定位与高浓度反演，这一技术突破在国际上尚属首创。

　　空间站在轨道上以7.7公里/秒的速度飞行，是地面高铁速度的一两百倍，为精准拍照监测带来了一定难度。为此，仪器上搭载了一项由长光所合作研发的特殊装置——高精度二维转台，这让镜头能够灵活地进行前后左右的摇摆，更精准地定位并追踪排放源。

　　例如，当卫星尚未飞抵目标上空时，镜头可以提前指向目标进行观测；当飞越目标后，还能反向回看，并支持运动补偿成像、复杂的光谱与辐射定标等工作模式。

　　“进入空间站后，仪器目前还在核心舱内。我们期待一个月后，仪器能够顺利出舱，被精准挂载至指定的挂点并投入工作。”苏慧说，仪器一旦就位，便能对地面进行高精度的测量。每次针对每一个选定的排放源，仪器将拍摄约1200张图像，呈现出一圈圈同心的圆环。其中颜色较暗的区域，正是二氧化碳和甲烷浓度较高的地方，最终来反演计算出二氧化碳和甲烷的浓度。

　　数据通过数传系统发送至位于北京的中国科学院空间应用工程与技术中心（空间中心）地面站，最终传输至港科大的团队进行深度解析，从而精准获取排放源上方的二氧化碳与甲烷浓度及排放通量。

　　“获得这些数据后，我们将与科研机构、政府部门进行共享，为特定点源提供精准的二氧化碳和甲烷浓度数据。此外，我们还将产出更高级别的数据产品，例如排放通量、污染物传播等数据。”苏惠说，项目已经跟联合国环境规划署，尤其是甲烷探测网建立了数据联系，未来可分享给全世界。

　　港科大校长叶玉如表示，对港科大研究团队能够参与国家太空站航天科研任务深感荣幸，也衷心感谢国家及香港特区政府长期以来的信任与支持。“这次项目不仅充分彰显港科大在航天与航空工程、卫星遥感及环境工程领域多年积累的科研优势，更证明香港科研力量有能力在国家最高层级的航天平台上作出实质贡献。”