一個冬日清晨，大衛·克里斯普親眼目睹了他的夢想發射升空。
他當時正身處美國宇航局（NASA）一顆新衛星的發射現場，這顆衛星是他構想的，名為“軌道碳觀測站”，旨在從太空追蹤二氧化碳。克里斯普是NASA加州噴氣推進實驗室的資深研究科學家，他已在這個專案上工作了九年。
當搭載衛星的火箭離開南加州的范登堡空軍基地，射向天空時，這位研究人員和他的科學團隊追蹤著它的軌跡。
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“在最初的3分42秒內，一切都絕對完美，”克里斯普說。“然後一切都出錯了。”
搭載衛星的火箭未能分離在發射過程中保護衛星的特定部分，並且由於過重而無法進入軌道。克里斯普和他的團隊驚恐地看著他們的任務墜入太平洋，位置靠近南極洲附近。那是2009年2月29日。
“那不是我最好的一天，”克里斯普說。這位研究人員現在以科學家特有的冷靜和精確來談論這個令人崩潰的時刻。
但是，自從他大約15年前首次構思這個專案以來，他和其它的科學家就一直在熱切地等待機會，利用這顆衛星來追蹤人類排放的日益大量的二氧化碳。如果全球氣候條約獲得批准，這些資訊可以作為追蹤排放的基礎。
發射失敗意味著，即使二氧化碳來自哪裡，以及究竟是什麼在吸收二氧化碳的問題變得越來越重要，但本可能解答這些問題的儀器卻沉入了海底。
克里斯普的NASA主管告訴他不要放棄，“軌道碳觀測站”可能會有第二次機會。這花了一些時間，但最終第二個“軌道碳觀測站”——現在稱為OCO-2——獲得了批准和資金。如果一切按計劃進行，它將於7月1日升空。
不久之後，該觀測站將開始其主要任務：解開“失蹤的碳”之謎。
二氧化碳的去向仍然是一個懸而未決的問題
自從克里斯普最初提出碳觀測站的建議以來，大氣中二氧化碳的平均水平已從大約百萬分之365上升到幾乎百萬分之400，這在地球近期歷史上是前所未有的。
每年約有400億噸二氧化碳因人類活動而釋放到大氣中——地球上每人約5.5噸。
根據這個數字，科學家們估計大氣中二氧化碳的含量應該每年增加約1%。
“但事實並非如此，”克里斯普說。它每年增加的幅度是這個數字的一半，即0.5%。
那麼，其餘的二氧化碳都去哪兒了呢？這就是OCO-2試圖解答的問題。
科學家們已經發現，大約一半的“失蹤的二氧化碳”，或總量的四分之一，進入了海洋。但是，為什麼這個比例保持不變，海洋每年總是吸收足夠的二氧化碳，相當於人類釋放的日益增加的量的一半，這仍然是一個謎。
至於其餘的“失蹤的二氧化碳”會發生什麼，科學家們假設它被森林和土壤吸收了。但是，哪些森林承擔了主要的吸收作用，仍然是一個懸而未決的問題。
“海洋或陸地生物圈中的某些東西正在吸收我們排放的一半二氧化碳，”克里斯普說。
隨著全球變暖和更多二氧化碳被泵入大氣，科學家們需要了解碳究竟去了哪裡，以便預測未來可能發生的變化，新碳觀測站任務的副專案科學家安妮瑪麗·埃爾德林說。
“熱帶地區的作用是一個大問題。有些人認為熱帶地區負責吸收目前所有的碳，而另一些人則認為真正起作用的是北部地區的[北方森林]，”她說。
瞭解這一點可能有助於人們就如何應對氣候變化做出決策。如果科學家們瞭解到熱帶森林吸收了大部分二氧化碳，那麼可以採取更多行動來保護或恢復它們。如果實際上是北極地區高緯度的北方森林，那麼優先事項可以轉向它們的保護。
這顆衛星透過非常精確地測量大氣中二氧化碳的含量來幫助完成這個專案。埃爾德林說，OCO-2將“每天收集一百萬個點”的資料。它必須採集如此多的資料，因為只有10%到20%的樣本能夠得出大氣二氧化碳的準確估計值。
天基測量的主要優勢在於其覆蓋範圍和解析度。
“我們將建立這個龐大、密集、完整的全球二氧化碳測量資料集，”她說。
科學家們將使用這些測量資料來計算大氣中的二氧化碳濃度。這些資料將與來自地球表面的地面實況測量資料進行比較，以確保其準確性。
雖然NASA的科學家和其他人都在熱切等待OCO-2的發射，但在OCO-2之前，日本合作伙伴（包括日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、環境省和國立環境研究所）於2009年發射的一顆衛星，已經為他們提供了使用類似但更有限的資料的機會。
日本的衛星被稱為溫室氣體觀測衛星，也稱為GOSAT。在GOSAT感測器每天最多可以收集的10,000個測量資料中，大約有1,000個是足夠無雲的，可以得出二氧化碳和甲烷（另一種強效溫室氣體）的準確估計值。
透過與日本GOSAT團隊合作，NASA的科學家們已經學到了很多關於如何從太空測量溫室氣體的知識。
但是，儘管GOSAT非常有用，但它無法提供量化排放源所需的資訊，也無法解決像克里斯普、埃爾德林和其他氣候科學家正在追求的重大問題：識別導致吸收排放到大氣中的一半“失蹤的二氧化碳”的自然過程。
為了做到這一點，科學家們需要更高的靈敏度、解析度和全球覆蓋範圍。
這正是OCO-2所做的。它收集的測量資料是GOSAT的96倍，並且每個OCO-2測量資料對二氧化碳的微小變化更敏感，尤其是在黑暗表面之上。
正因如此，預計這顆新衛星將在部分多雲地區（如熱帶雨林）以及海洋或高緯度北方森林等區域提供更有用的資料。
“我對精度和測量密度有點痴迷，”克里斯普承認。
來自太空的“極其靈敏”的測量
儘管OCO-2的任務是測量二氧化碳的來源和去向，但它並不直接測量這兩個值。
相反，它利用從地球表面反射的陽光強度來確定其測量位置的二氧化碳分子濃度，然後使用模型來了解哪些地區（如城市或發電廠）是二氧化碳的來源，哪些地區（如森林或海洋）正在吸收二氧化碳。
由於這種測量方法依賴於“看穿”地球表面，因此有時雲層或崎嶇地形（如山脈）會阻礙視線。這就是為什麼它需要如此大量的測量資料，以幫助克服這個問題。
即使人類活動向大氣中釋放了大量二氧化碳，為了從太空探測到這一點，儀器也必須“極其靈敏”，克里斯普說。
例如，為了看到洛杉磯的碳足跡，他說，“我們必須探測到反射陽光的某些顏色亮度變化十分之一。這就是我們必須校準這臺儀器的精度。”
因此，在衛星發射後，需要幾個月的時間才能將其送入正確的軌道並校準其儀器，因為科學家們需要利用地面其他測量大氣二氧化碳的站點來驗證其來自太空的測量資料。
額外測量捕捉植物健康狀況
在最初的碳觀測站丟失和OCO-2之間的時間裡，科學家們也意識到這項任務有一個額外的益處——它的其中一臺儀器能夠測量植物是否在生長。
這顆衛星可以測量一種名為熒光的光訊號，這種訊號是由生長中的植物發出的。人眼看不到它，但只要植物在進行光合作用，它也會釋放一些光，即發出熒光。
NASA噴氣推進實驗室的科學家約書亞·費舍爾說，這項測量可以讓研究人員瞭解吸收大量二氧化碳並釋放氧氣的大片森林如何應對不同強度的乾旱。這項測量還可以幫助農民瞭解農作物是否正在遭受乾旱。
許多全球氣候模型預測，隨著未來乾旱加劇，亞馬遜雨林的部分地區可能會死亡。由於這片巨大的森林吸收了大量的二氧化碳並釋放了大量的氧氣，因此這“有點令人擔憂”，費舍爾說。
最初，這種熒光測量本應是對衛星進行的其他測量的一種校正。但是，科學家們後來意識到，它也可以獨立用於測量植物健康狀況。
傳統上用於監測植物活動的其他衛星通常使用一種名為“綠度”的指標，顧名思義，它們從太空看到植物顏色的變化。但是，正如花瓶中的鮮花一樣，植物可以是綠色的，但也可能是死去的，費舍爾解釋說——而科學家們通常要到為時已晚才會知道這一點。
相比之下，熒光訊號僅來自生長中的植物，這使研究人員能夠看到植物是在生長還是處於脅迫狀態。
結合另一顆最近發射的NASA衛星，全球降水測量衛星（ClimateWire，1月28日），以及今年晚些時候將發射的一顆新的土壤溼度測量衛星，像費舍爾這樣的科學家將能夠追蹤森林的不同型別的脅迫，無論是乾旱還是土壤水分流失，並利用OCO-2任務來觀察這如何影響生長以及植物如何吸收二氧化碳。
“當你把這些任務放在一起時，你真正開始描述的是整個地球，而不僅僅是它的一個方面，”費舍爾說。
完成“未完成的事業”
自從第一個任務墜入大海以來，就一直存在一個不可避免的問題：這次任務會成功嗎？
雖然總是存在一些風險，但第二個軌道碳觀測站的專案經理拉爾夫·巴斯利奧表示，這顆衛星的運載火箭——德爾塔II火箭，其成功率超過98%。
巴斯利奧說，當第一個觀測站墜入大海時，他所經歷的情緒，他甚至不希望自己的死敵也經歷。在發射失敗後，他茫然失措。
“工程師接受的培訓是解決問題。而我們當時沒有問題要解決，”他說。“我們一無所有。這對我們來說是一個非常痛苦的時刻。”
第二個軌道碳觀測站任務的標誌看起來像一隻鳳凰，冉冉升起覆蓋全球。耗資4.677億美元，歷時多年打造，沒有人希望看到這隻鳳凰很快再次燃燒殆盡。
“我們都對有機會在7月1日發射感到興奮，”巴斯利奧說。“這是一個再次填補過去五年一直困擾我們的空白的機會。我們希望能夠完成這項未完成的事業。”
經Environment & Energy Publishing, LLC.許可，轉載自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500