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。

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。在本質上，光頻梳是以特定的、均勻間隔的頻率發射激光的一種工具。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測量目標。最初，NIST的研究人員將激光梳調到近紅外波長，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。

這個系統還有另一個關鍵特征：它是開放式的。當光頻梳被調到不被大氣特性吸收的頻率，它們的激光可以持續一千米的距離，并可以觀察到這段距離內的一切。觀測溫室氣體排放時，并不是從單一的點位開始，可以設置一個網格來觀察某個指定區域的排放。

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模的氣體排放模型所產生的結果進行比較。科塞爾說：“如果你正在這個開放的路徑上進行測量，那么你就已經與模型的網格大小相匹配了。因此，為了得到真正高分辨率的觀測數據，模型可能會利用邊長為數百米或一千米的網格來觀察目標成分的散布情況和空氣質量。因此，在某種程度上你要與之相匹配。”

該系統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，大規模的農業也會釋放甲烷，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生的排放。現在，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：如果他們能夠將光頻梳的波長延長，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》雜志上發表了他們的研究成果。

除了二氧化碳、甲烷和水蒸氣之外，現在NIST的光頻梳系統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：“現在，我們正在努力使其成為一個更有效的系統。”

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量和野火的影響，研究來自交通和農業的一氧化二氮排放。他認為，我們對這種排放還沒有充分了解。

資料來源 IEEE Spectrum