利用激光掃描天空中的空氣污染和溫室氣體

編譯 胡德良 信夢莎

在嚴重遭受溫室氣體排放威脅的世界里，對溫室氣體的測量可能會令人感到特別棘手。你可能需要捕獲空氣樣本，或者需要使樣本強行通過一個分析器。況且，許多這樣的技術一次只能測量一種溫室氣體或一種污染物。

然而，激光提供了另一種方法。追蹤單個化合物的激光光譜技術已經(jīng)存在幾十年了，但是美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一個可以同時測量四種溫室氣體（甲烷、二氧化碳、水蒸氣和一氧化二氮）的系統(tǒng)。

參與該項目的NIST研究員凱文·科塞爾（Kevin Cossel）說：“這是一套精致而強大的設備，可以得到非常高的光譜分辨率。”

這套設備背后的技術是光頻梳，它幫助科學家贏得了2005年諾貝爾物理學獎。在本質(zhì)上，光頻梳是以特定的、均勻間隔的頻率發(fā)射激光的一種工具。正如光譜圖上描繪的那樣，這些頻段看起來像一把梳子，因而得名“光頻梳”。事實上，光頻梳極其精確，這是它的一大優(yōu)勢。 基于光頻梳的掃描技術依賴于雙梳裝置——利用兩個不同頻率的光頻梳，觀察兩者的干擾模式，其中不包含任何復雜的光柵或移動部件。

好幾年以來，NIST一直在利用光頻梳實現(xiàn)測量目標。最初，NIST的研究人員將激光梳調(diào)到近紅外波長，大約1.6微米。這樣，研究人員能夠觀察到甲烷、水蒸氣、二氧化碳之類的氣體。

這個系統(tǒng)還有另一個關鍵特征：它是開放式的。當光頻梳被調(diào)到不被大氣特性吸收的頻率，它們的激光可以持續(xù)一千米的距離，并可以觀察到這段距離內(nèi)的一切。觀測溫室氣體排放時，并不是從單一的點位開始，可以設置一個網(wǎng)格來觀察某個指定區(qū)域的排放。

激光通過兩條往返路徑從科羅拉多州博爾德市的NIST大樓射出（箭頭），一條路徑射到一座大樓陽臺上的反射器上，另一條路徑射到附近山上的反射器上

這還意味著，可以將這些測量結果與較大規(guī)模的氣體排放模型所產(chǎn)生的結果進行比較?？迫麪栒f：“如果你正在這個開放的路徑上進行測量，那么你就已經(jīng)與模型的網(wǎng)格大小相匹配了。因此，為了得到真正高分辨率的觀測數(shù)據(jù)，模型可能會利用邊長為數(shù)百米或一千米的網(wǎng)格來觀察目標成分的散布情況和空氣質(zhì)量。因此，在某種程度上你要與之相匹配。”

該系統(tǒng)最初的重點之一是測量甲烷，甲烷比二氧化碳更有可能導致全球變暖。燃燒化石燃料（尤其是石油和天然氣）會釋放甲烷，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)也會釋放甲烷，其中最有名的就是牛羊等反芻動物的打嗝和胃腸脹氣排放。因此，NIST研究小組將這項技術帶到這一領域，實際上就是測量布滿奶牛的場地上所產(chǎn)生的排放。現(xiàn)在，這一技術廣泛用于這個領域，同時也用于檢測氣體泄漏。

然而，甲烷只是溫室氣體中的一部分。NIST的研究人員認為：如果他們能夠?qū)⒐忸l梳的波長延長，使其深入到紅外領域，接近5微米，這樣能夠進一步開放路徑，那么他們就可以檢測到一些其他氣體。研究人員成功地測試了這個裝置，并在《激光與光電子評論》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

除了二氧化碳、甲烷和水蒸氣之外，現(xiàn)在NIST的光頻梳系統(tǒng)還可以測量一氧化二氮以及臭氧和一氧化碳，后兩種常見的空氣污染物在擁有大量汽車的地方特別普遍。科塞爾說：“現(xiàn)在，我們正在努力使其成為一個更有效的系統(tǒng)?！?/p>

既然已證明這項技術是有效的，科塞爾希望該技術可以用來研究城市空氣質(zhì)量和野火的影響，研究來自交通和農(nóng)業(yè)的一氧化二氮排放。他認為，我們對這種排放還沒有充分了解。

資料來源 IEEE Spectrum