空高く飛んで、地上の緑の山々と澄んだ水を眺めましょう!

8月4日、世界初の森林炭素吸収源能動・受動共同観測リモートセンシング衛星「陸域生態系炭素モニタリング衛星」が太原衛星発射センターで打ち上げられた。ネットユーザーによって付けられた「ジュマン」という名前は、古代中国の神話における木の神と春の神を表しており、この衛星に燕と黄の子孫特有のロマンチックさを加えている。

▲長征4号Bロケットが打ち上げられる（撮影：鄧雲南）

2012年、中国共産党第18回全国代表大会は初めて「美しい中国」の建設という理念を提唱し、生態文明建設に重要な位置を与えるべきであると強調した。中国航天科学技術総公司第五研究院は、「衛星リモートセンシングサービスはどのような役割を果たすことができるのか」という疑問について考え始めました。彼らは、緑の山々と澄んだ水を観測する衛星を開発するという大胆な構想を提唱した。

当時、植生検知に特化した衛星は世界に存在せず、衛星開発チームはまったく新しい課題に直面していました。林業リモートセンシングのニーズを正確に把握するために、彼らはあらゆる場所で林業の知識を研究し、調査しました。衛星の主任設計者、曹海怡氏は「宇宙ベースのリモートセンシングを利用することで、この問題は解決できる」と肯定的な回答をした。

衛星プロジェクトは5年前に正式に承認されました。衛星開発チームは、計画段階の当初から、熱制御、ペイロード制御、データ伝送などの技術的な困難を克服してきました。

▲陸域生態系炭素監視衛星の仕組みの模式図

森林資源を理解し、炭素収支勘定を明確に理解する

「カーボンニュートラル」の実現は、自然界における「炭素源」と「炭素吸収源」をデジタル計算するようなもので、最終的な目標は「収支均衡」を達成することです。炭素収支勘定を明確に理解するには、まず森林資源を理解する必要があります。

高精度の植生の高さと面積の情報を取得することが重要です。衛星の設計に応じて、搭載されている多角度・多スペクトルカメラとライダーは、森林の地上画像と高さ情報を取得し、植生の蓄積とバイオマスをより正確に測定し、生態系の炭素貯蔵量を反映することができます。

衛星副主任設計者の張新偉氏は、一般的なリモートセンシングアプリケーションでは垂直地球観測法が採用されることが多いが、観測角度を広げることができれば、同じ表面物体の異なる反射率情報が得られ、森林構造パラメータの認識精度と逆変換精度が向上すると紹介した。この陸域生態系炭素モニタリング衛星に搭載された多角度・多スペクトルカメラは、5方向から同じ地上シーンの多スペクトル画像データを取得することができ、より詳細で信頼性の高い地表の3次元空間構造情報を得ることができます。

「以前は、カメラが頭の上を通過して垂直に観察していたため、人の頭の上の部分しか見ることができませんでした。今では撮影角度が増え、頭の上の部分だけでなく、顔、後頭部、胸部、背中など、多面的かつ多次元的な情報を見ることができます。」第五学院508研究所のマルチアングル・マルチスペクトルカメラの主任設計者、賈富娟氏は例を挙げた。

▲ 衛星マルチスペクトルカメラの5角度地球観測図の基本参照情報量が増加し、森林の樹冠だけでなく側面もはっきりと確認できるようになり、植生の密度分布、種類、健康状態、成長、さらには病害虫状況まで簡単に把握できるようになりました。

植生の蓄積をより包括的に測定するために、衛星開発チームは森林の垂直構造も検出する必要があります。光学リモートセンシングでは森林の垂直構造を検出するのに一定の限界があるため、 LIDARアクティブ検出技術が登場しました。

第五学院第508研究所のマルチビームライダー主任設計者、孫立氏はその原理を説明した。レーダーから森林にレーザーを照射すると、光線はまず木のてっぺんに到達し、レーザーの一部は木のてっぺんで反射され、レーザーの別の部分は木の隙間に沿って下方に浸透し、木々の真ん中にある葉や枝で反射される。レーザーの最後の部分は地面に到達し、地面で反射されます。このようにして、樹冠、中間、地面からのエコーを得ることができます。反響の時間差から木の高さを算出したり、エネルギー比から樹種を判別したり、さらには木の成長まで知ることができます。

▲ 衛星ライダー計測高度の模式図

衛星観測も大気中の浮遊粒子の影響を受けますが、多角度偏光イメージャーと大気ライダーによってこの問題を効果的に解決できます。雲や大気粒子状物質などの補助情報を測定し、衛星の干渉要因を排除して森林炭素貯蔵量を正確に監視し、より正確な大気補正を確保し、森林植生バイオマスの高精度な定量リモートセンシング測定を実現します。

▲ 衛星による大気中のPM2.5モニタリングの模式図

クロロフィルの蛍光を追いかけて、広大な本の海に隠された秘密のメッセージを見つける

森林は炭素隔離において重要な役割を果たしており、同時期に我が国の年間平均人為的炭素排出量の 45% を吸収することができます。しかし、森林は常に二酸化炭素を吸収するのでしょうか?森林が吸収できる二酸化炭素の量には限りがあり、一定の飽和点に達した後も、森林は人類が地球温暖化を遅らせるのに貢献し続けることができるのでしょうか?

森林の炭素吸収源を高精度に監視する能力を備えるためには、衛星を使用して植生情報を高精度に取得することが第一歩にすぎません。次のステップは、植生の生産性、つまり植生による炭素吸収の度合いを調べることです。

「植物は光合成によって『呼吸』しており、クロロフィルはこのプロセスに影響を与える重要な要素です。高精度のクロロフィル蛍光マッピングは、高精度の炭素吸収源監視のための衛星サポートの重要な部分でもあります。」衛星の副主任設計者である毛宜蘭氏は、衛星に搭載されたハイパースペクトル検出器が植物のクロロフィル蛍光を捉え、植物の光合成の強さを反映し、生態系の炭素吸収能力を定量的に監視できると紹介した。

クロロフィルの蛍光を捉えるのは想像するほど簡単ではありません。そのスペクトル範囲は狭く、わずかナノメートル幅です。混沌とした自然光の中でそれを探すのは、終わりのない本の中で秘密のコードを見つけるようなものです。

衛星開発チームは、格子分光原理を革新的に利用してスペクトル解像度を10倍に高め、670ナノメートルから780ナノメートルの範囲の濁った光を1,100のグラデーションカラーに分離し、グラデーションカラーの隅に隠れたクロロフィル蛍光を効果的に発見できるようになりました。

▲ 衛星ハイパースペクトル検出器によるクロロフィル蛍光の捕捉の模式図 第五学院第508研究所ハイパースペクトル検出器主任設計者、王維剛氏は次のように述べた。「これは地球上空に魔法の目を持つのと同じで、神秘的で美しい森で光合成がどの程度行われているのか、どの程度の二酸化炭素が吸収されているのか、どの程度カーボンニュートラルが達成されているのかを教えてくれます...」

気候変動に対処し、グローバルガバナンスに参加するために世界の炭素吸収量を計算する

「陸上生態系炭素監視衛星は、マルチビームライダー、多角度多スペクトルカメラ、ハイパースペクトル検出器、多角度偏光イメージャーの4つのペイロードを通じて包括的な観測タスクを完了する必要がある」と衛星の主任設計者、黄瑾氏は述べた。

衛星には数多くのミッションがあり、動作モードも非常に複雑です。計算のための負荷動作モードの組み合わせは最大 47 個あります。異なる負荷の組み合わせにより、さまざまなユーザーのニーズを満たすさまざまなデータを取得できます。

「確かに難しいですね。」曹海怡氏は、森林植生の状態を定量的に監視し、炭素吸収源の監視のニーズを満たすためには、研究開発チームはペイロード開発における技術的な困難を克服し、衛星がより多くのアプリケーションをサポートできるようにするだけでなく、衛星の使いやすさと制御のしやすさも考慮する必要があると認めた。その中で、衛星データの処理は重要なリンクです。このプロセスは、林業部門の関連経験と組み合わせて、リモートセンシング衛星データを地上言語に変換し、衛星のリアルタイム監視データを継続的に反転および反復する必要があります。

▲ 開発チームの衛星司令官である王翔氏は、衛星の打ち上げが成功し、軌道上での試験が完了した後、衛星は正式に運用され、約2か月で帰還サイクルを完了し、効果的な全世界のカバレッジを達成することを明らかにした。それまでに、衛星から得られた情報は分析・処理され、さまざまな地域の炭素排出量報告書が作成され、国や世界の炭素隔離の有効性が定量的に評価され、主要な気候変動戦略に対応し、グローバルガバナンスに積極的に参加する我が国の能力が大幅に強化されることになります。

実際、陸上生態系の炭素監視衛星は、気候変動への取り組みに新たな推進力を与えるだけでなく、林業の炭素吸収源取引においても重要な役割を果たしています。現在、各国の炭素排出量は相互に制約を受けています。では、衛星は炭素吸収源の測定や炭素吸収源取引にどのように役立つのでしょうか?

王翔氏は、この技術により、世界の森林植生バイオマス、エアロゾル分布、クロロフィル蛍光の高精度な定量リモートセンシング測定が可能になり、世界の炭素吸収源の状態をより正確に推測し、炭素吸収源取引に効果的なデータサポートを提供できると指摘した。

陸上生態系炭素監視衛星は、森林炭素吸収源監視に加えて、環境保護、測量・地図作成、気象、農業、防災などの分野でも広く利用され、作物評価、植物病害虫監視、災害緊急画像化などの作業をサポートします。

「この衛星を有効に活用するためには、今後３つのことを行う必要があります。」王翔氏は、まず衛星の数と探知方法を増やす必要があると述べた。第二に、地上システムとの連携を通じてデータの精度を向上させる必要がある。第三に、国際協力においてより大きな役割を果たすために、データ共有を増やす必要があります。