一个冬日清晨，大卫·克里斯普亲眼目睹了他的梦想发射升空。
他当时正身处美国宇航局（NASA）一颗新卫星的发射现场，这颗卫星是他构想的，名为“轨道碳观测站”，旨在从太空追踪二氧化碳。克里斯普是NASA加州喷气推进实验室的资深研究科学家，他已在这个项目上工作了九年。
当搭载卫星的火箭离开南加州的范登堡空军基地，射向天空时，这位研究人员和他的科学团队追踪着它的轨迹。
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“在最初的3分42秒内，一切都绝对完美，”克里斯普说。“然后一切都出错了。”
搭载卫星的火箭未能分离在发射过程中保护卫星的特定部分，并且由于过重而无法进入轨道。克里斯普和他的团队惊恐地看着他们的任务坠入太平洋，位置靠近南极洲附近。那是2009年2月29日。
“那不是我最好的一天，”克里斯普说。这位研究人员现在以科学家特有的冷静和精确来谈论这个令人崩溃的时刻。
但是，自从他大约15年前首次构思这个项目以来，他和其它的科学家就一直在热切地等待机会，利用这颗卫星来追踪人类排放的日益大量的二氧化碳。如果全球气候条约获得批准，这些信息可以作为追踪排放的基础。
发射失败意味着，即使二氧化碳来自哪里，以及究竟是什么在吸收二氧化碳的问题变得越来越重要，但本可能解答这些问题的仪器却沉入了海底。
克里斯普的NASA主管告诉他不要放弃，“轨道碳观测站”可能会有第二次机会。这花了一些时间，但最终第二个“轨道碳观测站”——现在称为OCO-2——获得了批准和资金。如果一切按计划进行，它将于7月1日升空。
不久之后，该观测站将开始其主要任务：解开“失踪的碳”之谜。
二氧化碳的去向仍然是一个悬而未决的问题
自从克里斯普最初提出碳观测站的建议以来，大气中二氧化碳的平均水平已从大约百万分之365上升到几乎百万分之400，这在地球近期历史上是前所未有的。
每年约有400亿吨二氧化碳因人类活动而释放到大气中——地球上每人约5.5吨。
根据这个数字，科学家们估计大气中二氧化碳的含量应该每年增加约1%。
“但事实并非如此，”克里斯普说。它每年增加的幅度是这个数字的一半，即0.5%。
那么，其余的二氧化碳都去哪儿了呢？这就是OCO-2试图解答的问题。
科学家们已经发现，大约一半的“失踪的二氧化碳”，或总量的四分之一，进入了海洋。但是，为什么这个比例保持不变，海洋每年总是吸收足够的二氧化碳，相当于人类释放的日益增加的量的一半，这仍然是一个谜。
至于其余的“失踪的二氧化碳”会发生什么，科学家们假设它被森林和土壤吸收了。但是，哪些森林承担了主要的吸收作用，仍然是一个悬而未决的问题。
“海洋或陆地生物圈中的某些东西正在吸收我们排放的一半二氧化碳，”克里斯普说。
随着全球变暖和更多二氧化碳被泵入大气，科学家们需要了解碳究竟去了哪里，以便预测未来可能发生的变化，新碳观测站任务的副项目科学家安妮玛丽·埃尔德林说。
“热带地区的作用是一个大问题。有些人认为热带地区负责吸收目前所有的碳，而另一些人则认为真正起作用的是北部地区的[北方森林]，”她说。
了解这一点可能有助于人们就如何应对气候变化做出决策。如果科学家们了解到热带森林吸收了大部分二氧化碳，那么可以采取更多行动来保护或恢复它们。如果实际上是北极地区高纬度的北方森林，那么优先事项可以转向它们的保护。
这颗卫星通过非常精确地测量大气中二氧化碳的含量来帮助完成这个项目。埃尔德林说，OCO-2将“每天收集一百万个点”的数据。它必须采集如此多的数据，因为只有10%到20%的样本能够得出大气二氧化碳的准确估计值。
天基测量的主要优势在于其覆盖范围和分辨率。
“我们将创建这个庞大、密集、完整的全球二氧化碳测量数据集，”她说。
科学家们将使用这些测量数据来计算大气中的二氧化碳浓度。这些数据将与来自地球表面的地面实况测量数据进行比较，以确保其准确性。
虽然NASA的科学家和其他人都在热切等待OCO-2的发射，但在OCO-2之前，日本合作伙伴（包括日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、环境省和国立环境研究所）于2009年发射的一颗卫星，已经为他们提供了使用类似但更有限的数据的机会。
日本的卫星被称为温室气体观测卫星，也称为GOSAT。在GOSAT传感器每天最多可以收集的10,000个测量数据中，大约有1,000个是足够无云的，可以得出二氧化碳和甲烷（另一种强效温室气体）的准确估计值。
通过与日本GOSAT团队合作，NASA的科学家们已经学到了很多关于如何从太空测量温室气体的知识。
但是，尽管GOSAT非常有用，但它无法提供量化排放源所需的信息，也无法解决像克里斯普、埃尔德林和其他气候科学家正在追求的重大问题：识别导致吸收排放到大气中的一半“失踪的二氧化碳”的自然过程。
为了做到这一点，科学家们需要更高的灵敏度、分辨率和全球覆盖范围。
这正是OCO-2所做的。它收集的测量数据是GOSAT的96倍，并且每个OCO-2测量数据对二氧化碳的微小变化更敏感，尤其是在黑暗表面之上。
正因如此，预计这颗新卫星将在部分多云地区（如热带雨林）以及海洋或高纬度北方森林等区域提供更有用的数据。
“我对精度和测量密度有点痴迷，”克里斯普承认。
来自太空的“极其灵敏”的测量
尽管OCO-2的任务是测量二氧化碳的来源和去向，但它并不直接测量这两个值。
相反，它利用从地球表面反射的阳光强度来确定其测量位置的二氧化碳分子浓度，然后使用模型来了解哪些地区（如城市或发电厂）是二氧化碳的来源，哪些地区（如森林或海洋）正在吸收二氧化碳。
由于这种测量方法依赖于“看穿”地球表面，因此有时云层或崎岖地形（如山脉）会阻碍视线。这就是为什么它需要如此大量的测量数据，以帮助克服这个问题。
即使人类活动向大气中释放了大量二氧化碳，为了从太空探测到这一点，仪器也必须“极其灵敏”，克里斯普说。
例如，为了看到洛杉矶的碳足迹，他说，“我们必须探测到反射阳光的某些颜色亮度变化十分之一。这就是我们必须校准这台仪器的精度。”
因此，在卫星发射后，需要几个月的时间才能将其送入正确的轨道并校准其仪器，因为科学家们需要利用地面其他测量大气二氧化碳的站点来验证其来自太空的测量数据。
额外测量捕捉植物健康状况
在最初的碳观测站丢失和OCO-2之间的时间里，科学家们也意识到这项任务有一个额外的益处——它的其中一台仪器能够测量植物是否在生长。
这颗卫星可以测量一种名为荧光的光信号，这种信号是由生长中的植物发出的。人眼看不到它，但只要植物在进行光合作用，它也会释放一些光，即发出荧光。
NASA喷气推进实验室的科学家约书亚·费舍尔说，这项测量可以让研究人员了解吸收大量二氧化碳并释放氧气的大片森林如何应对不同强度的干旱。这项测量还可以帮助农民了解农作物是否正在遭受干旱。
许多全球气候模型预测，随着未来干旱加剧，亚马逊雨林的部分地区可能会死亡。由于这片巨大的森林吸收了大量的二氧化碳并释放了大量的氧气，因此这“有点令人担忧”，费舍尔说。
最初，这种荧光测量本应是对卫星进行的其他测量的一种校正。但是，科学家们后来意识到，它也可以独立用于测量植物健康状况。
传统上用于监测植物活动的其他卫星通常使用一种名为“绿度”的指标，顾名思义，它们从太空看到植物颜色的变化。但是，正如花瓶中的鲜花一样，植物可以是绿色的，但也可能是死去的，费舍尔解释说——而科学家们通常要到为时已晚才会知道这一点。
相比之下，荧光信号仅来自生长中的植物，这使研究人员能够看到植物是在生长还是处于胁迫状态。
结合另一颗最近发射的NASA卫星，全球降水测量卫星（ClimateWire，1月28日），以及今年晚些时候将发射的一颗新的土壤湿度测量卫星，像费舍尔这样的科学家将能够追踪森林的不同类型的胁迫，无论是干旱还是土壤水分流失，并利用OCO-2任务来观察这如何影响生长以及植物如何吸收二氧化碳。
“当你把这些任务放在一起时，你真正开始描述的是整个地球，而不仅仅是它的一个方面，”费舍尔说。
完成“未完成的事业”
自从第一个任务坠入大海以来，就一直存在一个不可避免的问题：这次任务会成功吗？
虽然总是存在一些风险，但第二个轨道碳观测站的项目经理拉尔夫·巴斯利奥表示，这颗卫星的运载火箭——德尔塔II火箭，其成功率超过98%。
巴斯利奥说，当第一个观测站坠入大海时，他所经历的情绪，他甚至不希望自己的死敌也经历。在发射失败后，他茫然失措。
“工程师接受的培训是解决问题。而我们当时没有问题要解决，”他说。“我们一无所有。这对我们来说是一个非常痛苦的时刻。”
第二个轨道碳观测站任务的标志看起来像一只凤凰，冉冉升起覆盖全球。耗资4.677亿美元，历时多年打造，没有人希望看到这只凤凰很快再次燃烧殆尽。
“我们都对有机会在7月1日发射感到兴奋，”巴斯利奥说。“这是一个再次填补过去五年一直困扰我们的空白的机会。我们希望能够完成这项未完成的事业。”
经Environment & Energy Publishing, LLC.许可，转载自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500