二氧化碳傳感器從空中監控車輛尾氣排放

二氧化碳傳感器從空中監控車輛尾氣排放

CO2Sensors Monitor Vehicle Emissions from Above

二氧化碳（CO2）是地球大氣的重要組成部分，是生命不可或缺的一種氣體。植物需要CO2進行光合作用，人類和動物呼出的氣體中含有CO2，而作為石油等燃料燃燒產生的副產物，工業領域和車輛都會排放CO2。對于科學家來說，CO2在氣候變化中的作用已經非常清楚，但是，CO2全年在大氣中聚集及擴散的方式、時間，以及原因仍有待進一步研究。

美國國家航空航天局（NASA）下屬的戈達德空間飛行中心、噴氣推進實驗室（JPL）和蘭利研究中心等3家研究中心正在開發從太空中研究二氧化碳聚集及擴散問題的儀器。該項目未來或將開發一顆衛星，名為“夜間、白天和季節性的二氧化碳排放監測有源傳感衛星”（簡稱“ASCENDS衛星”）。該項目被美國國家研究理事會列為NASA《地球科學十年規劃（2007年）》中最重要的15項任務之一。

蘭利研究中心科學理事會大氣成分研究分部的研究人員Mike Obland解釋說：“蘭利研究中心承擔了ASCENDS衛星項目的子任務之一，負責開發一種能夠在夜間和白天獲得CO2排放數據的遠程有源傳感器。該傳感器還能夠有效測量太陽照射角很低的地球兩極附近的CO2濃度情況，以及有較厚云層覆蓋的海洋上空的CO2濃度情況。”

該傳感器使用了3臺激光器，能夠持續向大氣層發射激光。3臺激光器的波長略有不同，其中一臺發射的激光大部分可被CO2吸收，另兩臺發射的激光大部分會被散射。此外，其還包含一種通過測量光散射量來測定CO2濃度的工具。

蘭利研究中心開發的傳感器使用的是連續激光，而戈達德空間飛行中心使用的是脈沖激光。利用連續激光獲得的數據可與利用脈沖激光探測獲得的數據進行比較，因為3臺激光器的讀數是同時獲得的。

目前，雖然ASCENDS衛星受到資金的限制尚未建成，但蘭利研究中心和戈達德空間飛行中心仍在繼續研究這個項目潛在的應用。Mike Obland說：“在2017年即將制定的下一個十年規劃中，可能會重新賦予該衛星項目優先權。但考慮到自2007年開始，多個用于從太空中研究CO2循環的衛星已發射升空，如軌道碳觀測衛星-2，因此，在下一個十年規劃中，也可能完全取消ASCENDS衛星的開發，僅僅利用已經發射的衛星來開展CO2循環方面的研究。”

即使ASCENDS衛星項目被取消，受參與該項目的一家承包商的影響，該項目的相關技術也將在地球上發揮重要的作用。該承包商與蘭利研究中心合作，在2006年～2009年參與了ASCENDS衛星項目的研發工作。

J. Stewart Hager就職的一家名為“大氣與環境研究”的咨詢公司是NASA蘭利研究中心的子承包商。一天午飯時，該公司負責ASCENDS項目的研究團隊開展了一次頭腦風暴活動，分析ASCENDS項目中的儀器在地球上的用途。J. Stewart Hager說：“我認為，可以用于汽車尾氣排放的測量。ASCENDS項目中開發的儀器可以從5m以外分析汽車排放的尾氣的成分，省去人們到排放檢測站去進行檢測。”

▲ 在車輛經過區域安裝的EDAR系統

2009年，J. Stewart Hager成立了Hager環境與大氣技術（HEAT）公司，基于蘭利研究中心為ASCENDS衛星項目開發的工具設計了一種檢測CO2和其它廢氣的監測系統——排放檢測與報告（EDAR）系統。該系統采用激光器對二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和總碳氫化合物，以及單體烴如甲烷、乙烷和乙烯等氣體的濃度進行檢測。與蘭利研究中心開發的儀器類似，EDAR系統同時使用了能夠被CO2散射和吸收的激光，通過測量返回到EDAR系統的激光量以確定每輛汽車排放的尾氣成分。與排放測試站的儀器相比，該系統采用的技術更加先進，顯著提高了汽車尾氣遠程遙感系統的靈敏度和可靠性。

與蘭利研究中心為太空飛行開發的儀器相比，EDAR系統的運行速度稍慢，但地面測試結果的準確性相同，且價格更低。該系統安裝在交通繁忙區域內的電線桿上，以監測過往的車輛。美國亞利桑那州、康涅狄格州和田納西州是率先使用EDAR系統的城市。這些城市的管理部門采用EDAR系統查找在城市內運行的尾氣排放不符合環保排放標準的車輛。

HEAT公司與加利福尼亞州大氣資源委員會正在開展一項合作研究，主要研究重型柴油卡車的排放，以及油氣蒸發排放，如從泄露的油箱、松的軟管和破裂的管道中泄露的汽油氣體等。

部分車主經常僅在需要做定期檢查時才在汽車的排氣管中安裝減排裝置。當這種情況發生時，排放監測站的測試結果就不能準確地反映車輛的正常廢氣排放情況。另外，部分車輛不適用于常規排放測試系統標準，如大眾2015年的部分車型。而采用EDAR系統持續進行監測，意味著每輛車都將被測試。

采用EDAR系統檢測一輛通過的汽車通常需要1.5min，每個測試結果會生成一幅三維、多光譜圖像，以及一幅帶有車輛及其尾氣排放的二維輪廓圖像。該系統還能夠識別干擾分子或污染物，并保證其不會影響結果的準確性。J. Stewart Hager說：“如果該項技術能夠在全美國范圍內應用，達到排放標準的汽車車主將會收到通知，免于參加排放監測站的測試，而不符合標準的車輛則必須進行檢查。”

J. Stewart Hager表示：“與NASA的合作使HEAT公司受益頗多。EDAR系統的NASA背景為其提供了信用保證，也為其贏得了潛在的客戶。” (唐 甜)