卫星和人工智能如何帮助监测我们日益变暖的星球的脉搏

艺术家所描绘的欧盟“哥白尼二氧化碳排放监测任务”(Copernicus Carbon Dioxide Monitoring mission，简称为CO2M)的场景。 ESA/Mlabspace

瑞士和国际专家们寄希望于如日方升、日新月异的卫星群和人工智能模型能够帮助他们更准确地洞察温室气体(GHG)的排放情况。他们表示，更快捷、更详细的数据将为各国加强减排力度提供助力。

根据《巴黎气候协定》，各国必须定期报告其温室气体排放量或清除量的估计值。这些估算值是根据运输、工业、供暖和能源生产等活动的数据计算得出的，并以政府间气候变化专门委员会(IPCC)所制定的国际商定准则为基础。然而，这一耗时良久、且占用了大量资源的报告流程却充满了不确定性。

瑞士联邦材料科学与技术研究院(Empa, the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)的研究员格里特·库尔曼(Gerrit Kuhlmann)深信，基于卫星的地球观测(译者注：即在环绕地球运行的卫星的帮助下收集并存储与地球的物理、生物和化学成分相关的信息，用于国防和情报、基础设施和工程、自然资源管理、能源和电力以及灾害管理等领域的监测、监视和决策)和人工智能的迅猛发展，能帮助各国更好地评估和验证核实其温室气体的排放规模。

“人工智能可以处理大量信息，譬如排放的温室效应气体具体包括哪些、它们的排放来源及其对气候变化产生的影响。人工智能还能帮助我们解读这些数据，并为我们提供更多的背景信息，”这位在苏黎世工作的研究人员告诉瑞士资讯SWI swissinfo.ch。

库尔曼和他在瑞士联邦材料科学与技术研究院的同事共同参与了欧洲哥白尼计划(Copernicus programme)的研究工作，该计划旨在为地球观测卫星配备温室气体测量技术。他们的目标，是为各国政府和决策者提供全球范围内的二氧化碳(CO2)、甲烷和二氧化氮(NO2)排放的详细地图。这些近乎实时提供的国家级和区域级温室气体排放情况的精确视图，将让各国能够核实、验证或调整政策，甚至可以通过放大视图，以精确定位存在问题的排放物和热点地区，比如燃气设施、石油设施或发电厂。

让观测卫星密布天际

近年来，地球观测卫星的数量及其性能呈指数级增长：运行于太空中的观测卫星从2013年的约200颗增加到2023年的近1200颗。这些卫星目前几乎占据了地球同步轨道卫星总量的近20%。太空探索技术公司(SpaceX)、蓝色起源公司(Blue Origin)、行星实验室(Planet Labs)和麦克萨科技公司(Maxar Technologies)等正竞相尝试突破极限，利用小型卫星群提供高质量图像，以此监测地球健康状况。

2025年1月16日，蓝色起源公司(Blue Origin)的巨型”新格伦”(New Glenn)火箭从佛罗里达州发射升空，首次执行太空任务。这是亿万富豪杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)名下的太空公司进入地球轨道的第一步，该公司的目标是在卫星发射业务领域与太空探索技术公司(SpaceX)展开竞争。 Copyright 2025 The Associated Press. All Rights Reserved

世界经济论坛(WEF)去年发布的一份报告显示，到2030年，预计地球观测领域将为全球经济贡献逾7000亿美元(约合人民币51170亿元)，与此同时，地球观测数据还可以为干预措施提供有效信息，从而每年减少超过20亿吨二氧化碳当量的温室气体排放。

由此产生的大量复杂地球卫星观测数据，必须对其加以整理和分析。在最近发布的一份白皮书中，来自麻省理工学院和世界经济论坛的作者们表示，机器学习、人工智能和预测技术方面的进步正在推动这一数据处理过程，能够以前所未有的速度将卫星观测原始数据转化为可以直接用于制定决策或可付诸行动的见解和建议。

欧洲的哥白尼计划率先垂范

世界各地正在致力于积极开发各种利用地球观测的气候变化监测平台。其中就包括了美国国家航空航天局(NASA)开发的碳监测系统(CMS)，以及受欧盟委员会(European Commission)资助、由欧洲中期天气预报中心(EMCWF)管理实施的哥白尼大气监测服务(CAMS)。

全球温室气体监测工作，由世界气象组织(WMO)于去年设立的全球温室气体监视网(G3W)负责协调。在其他地区，甲烷排放情况则由联合国环境规划署(UNEP)的国际甲烷排放观测站(IMEO)负责监督。

美国和日本的仪器及卫星，已经成功持续监测甲烷排放情况长达数年之久，并且生成了石油和燃气设施、煤矿和垃圾填埋场泄漏情况的图像。

在里海土库曼城市哈扎尔以东出现了巨大的甲烷泄漏。12股甲烷羽流正在向西流动。这些羽流是由美国国家航空航天局的地球表面矿物粉尘源调查(EMIT)卫星发现的，其中一些绵延超过32公里。 NASA/JPL-Caltech

“欧洲地区正在进行大量的研究和创新，全球范围内也在研究如何建立这样一套系统。我们的实验室是参与其中的实验室之一，但目前国际上可能有数百人正在致力于研究如何才能做到这一点，”库尔曼解释道。

十余年来，卫星已经能够测量大气中二氧化碳浓度的变化。但它们并没有提供全球覆盖，而是主要聚焦于大自然碳循环的变化。

例如，在过去十年间，美国国家航空航天局还通过国际空间站上的轨道碳卫星-2(OCO-2)和轨道碳卫星-3(OCO-3)以越来越高的精度对二氧化碳进行追踪。

然而，目前还无法单独对人为源的排放量做出估算。不仅如此，目前也还缺乏具备成像能力的全球二氧化碳监测平台。

不过，随着欧洲的“哥白尼二氧化碳排放监测任务”(Copernicus Carbon Dioxide Monitoring mission，简称为CO2M)和温室气体监测系统的启动，这种情况有望得以改变。

两颗配备最新仪器和传感器的“哥白尼二氧化碳排放监测任务”卫星中的第一颗，计划将于2026年发射升空。届时，多卫星星座将提供高分辨率成像、全球密集覆盖和频繁重访(译者注：即同一颗卫星在相同地点经过的时间间隔会大幅缩短)。

卫星上承载的二氧化碳和二氧化氮成像光谱仪，将对大气中的二氧化碳、甲烷和二氧化氮浓度进行测量。哥白尼数据系统将能够以前所未有的精度和细节程度估算和测量人为源的二氧化碳和甲烷排放量，并且速度接近实时。

将自然碳源与人为碳源区分开来

在哥白尼大气监测服务(CAMS)工作的科学家，将对执行“哥白尼二氧化碳排放监测任务”的卫星所收集到的地球观测数据进行研究，同时进行地面测量和建模，以将二氧化碳和甲烷的人为排放源和自然排放源-譬如森林、植物和动物-区分开来。

瑞士联邦材料科学与技术研究院的科学家们已向欧洲航天局(ESA)提供了装备“哥白尼二氧化碳排放监测任务”卫星的各种建议，其中就包括采用联合测量装置检测二氧化碳和二氧化氮的想法，而这两种物质都是因燃烧煤炭、石油和天然气而产生的。

2015年7月2日，柏林和附近发电厂二氧化碳羽流总容量的高分辨率模拟成像。数据由瑞士联邦材料科学与技术研究院生成，是欧洲空间局资助的Smartcarb研究的一部分。 Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa)

“如果我们看到二氧化氮值和二氧化碳值很高，我们就知道这些高二氧化碳值来自人为排放-或者说基本上是化石燃料燃烧的结果，”库尔曼解释说。

二氧化氮不会在生物圈的自然”呼吸”过程中产生。因此，卫星上装载的仪器应该能够”过滤掉”人为产生的二氧化碳信号。

卫星还将生成有关地球上有多少绿色植被及其茂密程度的重要数据，例如树上的叶子数量。“这将告诉我们它们实际上从大气中吸收了多少二氧化碳，”库尔曼说道。

多年来，瑞士科学家们一直参与欧盟研究与开发框架计划”地平线2020″(Horizon 2020)和”地平线欧洲”(Horizon Europe)下的“二氧化碳排放监测”开发工作。瑞士虽然不是欧盟成员国，却是欧洲空间局的成员国。

然而，想要全面参与“哥白尼地球观测计划”对瑞士而言似乎还有待时日。自欧洲卫星计划启动以来，瑞士始终未能正式加入该计划。2023年，瑞士联邦议会经投票赞成加入，但去年5月，政府却以联邦财政紧张为由否决了这一决议。

>> 这段视频直观呈现了2021年全球二氧化碳排放情况。该视频是欧盟资助、欧洲中期天气预报中心负责协调的CoCO2研究项目的成果之一。

(编辑：Veronica De Vore/gb，译自英文：张樱/ gj)