ESA 的 Biomass 衛星——使用 P-band 微波頻段的合成孔徑雷達——於 2025 年成功發射入軌，並在 2026 年開始傳回首批科學數據。Biomass 的發射代表了全球森林碳測繪領域的革命性進步：這是人類首次從太空系統性地測量全球森林生物質和碳儲量。這項任務的科學意義超越了單純的技術成就——它將提供全球碳循環中最不確定的變量的精確測量，從根本上改變我們對地球碳預算的理解。
任務背景與科學目標
Biomass 是 ESA 地球探索者計劃（Earth Explorer Programme）的第七項任務，於 2013 年被選中，經過 12 年的開發後於 2025 年發射。任務的總成本約為 4.6 億歐元，包括衛星製造、發射和 5 年的在軌運營。Biomass 的主要科學目標是：以空前精度測繪全球森林生物質及其變化，將目前森林碳儲量的不確定性從 ±40-60% 降至 ±10-20%；提供森林高度和結構的全球三維測量；以及監測森林干擾（砍伐、火災、退化）對碳儲量的影響。
Biomass 的科學需求來自全球碳循環中最突出的知識空白。陸地生態系統每年吸收約 30% 的人為二氧化碳排放——但這些吸收的空間分佈和時間變化極不確定。森林佔陸地生物質碳儲量的約 80%，而現有的全球森林碳儲量估計範圍在 300-500 Gt C 之間——這一不確定性本身足以掩蓋或放大對全球碳循環的任何預測。Biomass 的測量將使這些估計的不確定性範圍縮小一半以上。
核心儀器技術
Biomass 的核心儀器是一個 P-band（約 435 MHz，波長約 70 厘米）SAR 成像雷達。P-band 的關鍵優勢在於其波長足夠長以穿透茂密的森林冠層——到達主幹和較粗的樹枝——並從這些結構中反彈回雷達接收器。透過分析雷達回波的極化和強度，科學家可以估算森林的木材體積和碳含量。與光學遙感（只能看到樹冠頂部）和 LiDAR（穿透力有限且覆蓋範圍小）相比，P-band SAR 是唯一能夠從太空「看到」森林內部結構的遙感技術。
Biomass 的 P-band SAR 在 6 MHz 帶寬下運作，提供 200 米解析度的全球測繪（在極化干涉測量模式下可達 50 米）。雷達天線為一個 12 米 × 4 米的展開式反射面天線——在發射時摺疊，入軌後展開——是 ESA 迄今部署的最大太空雷達天線。Biomass 的軌道為極地太陽同步軌道（高度 666 公里，傾角 98°），每 25 天完成一次全球覆蓋。在 5 年任務週期中，Biomass 計劃完成 3 次完整的全球森林生物質測繪——偵測森林碳儲量的時間變化。
Biomass 在 P-band 頻段的運作面臨一個獨特的監管挑戰。P-band 最初被分配給軍事雷達和航空導航系統——為了在該頻段運行科學雷達，ESA 與各國頻譜管理機構進行了長達數年的協調，最終獲得了國際電信聯盟的特殊保護分配。Biomass 雷達採用了自適應頻譜監聽技術——在發射前監聽環境中的干擾信號並即時選擇無干擾的頻率窗口——確保科學數據質量不受地面雷達干擾的影響。
科學發現：首批成果
Biomass 任務的首個科學目標是全球森林生物質的基線測繪——在 5 年任務週期中完成 3 次全球覆蓋測繪。首次全球測繪（2026 年 1-8 月）的初步結果已在熱帶地區顯示出令人意外的發現：亞馬遜盆地的森林碳儲量比現有模型估算高出約 8-15%——提示被低估的碳儲量可能部分抵消了森林砍伐造成的碳排放。剛果盆地的結果顯示，泥炭地森林（碳密度極高）的範圍比此前估計的廣約 30%。
研究團隊對亞馬遜盆地結果的解釋是：現有基於地面樣點的模型系統性地低估了成熟林中的大樹（胸徑 >70 厘米）的密度——這些大樹雖然數量很少（約佔樹木總數的 2-3%），但佔生物質總量的 40-50%。Biomass 的 P-band SAR 對大樹主幹的回波特別敏感，而光學遙感和地面樣點有限的外推方法都傾向於低估大樹的貢獻。剛果盆地泥炭地森林的更大範圍具有重要的政策含義——這些高碳密度森林的保護對全球氣候目標至關重要。
數據政策與影響
Biomass 的數據對全球氣候政策具有直接影響。各國在《巴黎協定》框架下報告的森林碳匯和碳排放數據——目前主要基於地面樣點外推和粗略的衛星光學估算——可以透過 Biomass 的數據進行獨立驗證。ESA 已建立了 Biomass 數據開放政策，所有經過質量校準的數據在 6 個月的專有期後向全球研究機構免費開放。
Biomass 的數據對 REDD+（減少毀林和森林退化所致排放量）計劃具有特別重要的意義。REDD+ 依賴各國自我報告的森林碳排放數據——而這些數據的準確性長期受到質疑。Biomass 提供的獨立森林碳儲量測量可以作為 REDD+ 結果的交叉驗證工具。聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）已與 ESA 討論將 Biomass 數據納入國家清單報告的技術指南。
任務挑戰與限制
Biomass 任務面臨的技術挑戰集中於 P-band 雷達的功率和數據處理能力。衛星的功率預算約為 1.5 kW，其中雷達系統在成像模式下消耗約 800 W。每次通過森林區域的成像時間約為 10-15 分鐘，每天可產生約 150 GB 的原始雷達數據。ESA 的數據處理中心需要將這些原始數據轉化為生物質地圖——全鏈路處理週期（從衛星數據接收到最終產品發布）約為 3 個月。
Biomass 的空間解析度（200 米）使其無法解析小於 4 公頃的森林斑塊的變化——這對碎片化嚴重的熱帶和溫帶森林的監測能力構成限制。ESA 正在研究將 Biomass 數據與更高解析度的光學衛星（如 Sentinel-2 的 10 米數據）進行融合的算法，以實現次像素級別的森林變化偵測。
後續任務
Biomass 的後續任務已經在規劃中。ESA 的 Earth Explorer 11 候選任務之一——Hydroterra+——如果獲批，將攜帶一個 C-band SAR 系統，專注於監測森林的水分動態和乾旱壓力。NASA 的 NISAR 任務（與印度 ISRO 合作，2027 年發射）將使用 L-band 和 S-band SAR，與 Biomass 的 P-band 形成互補的頻譜覆蓋——從而在未來實現森林生態系統的「全頻譜遙感」。此外，ESA 和 NASA 正在聯合規劃一個「全球森林觀測系統」概念——整合 Biomass、NISAR 和 GEDI（已結束的 NASA LiDAR 任務）的測量，提供 2020-2035 年期間連續的全球森林碳儲量時間序列。
技術創新與工程挑戰
Biomass 衛星採用 Airbus Defence and Space 的 AstroBus-L 平台，發射質量約 1,170 公斤。其最引人注目的工程特徵是 12 米展開式反射面天線——由碳纖維增強聚合物（CFRP）製成，展開精度要求極高（表面誤差小於 2 毫米 RMS）。在發射階段，天線摺疊為直徑 1.5 米的圓柱體，入軌後透過螺旋展開機構在 45 分鐘內完成展開。這一機構成功經歷了超過 1,000 次地面展開測試，確保了其在微重力和真空環境中的可靠性。Biomass 的設計壽命為 5 年，但推進劑儲備和關鍵部件的冗餘設計使其有可能延長至 7-8 年。
Biomass 對森林科學的長期貢獻將超越其任務期限。其產生的全球森林生物質基線數據將為未來 20-30 年的森林變化研究提供基準參考點。當後續的 P-band 雷達任務（可能由 ESA、NASA 或中國航天局各自發射）在 2030 年代部署時，科學家將能夠構建跨越數十年的森林碳儲量時間序列——這對理解氣候變化與森林動態的反饋機制至關重要。