二氧化碳探测器

众所周知，正常空气中二氧化碳的比例约为0.03％，但由于工业尾气排放，森林减少等原因，空气中二氧化碳的浓度屡创新高！今天，小菲就和大家一起看看德国公共服务广播公司ZDF使用FLIR GF343光学气体成像红外热像仪追踪二氧化碳的纪录片，一起看二氧化碳被排放的瞬间！01可视化二氧化碳德国公共服务广播公司ZDF制作了一个关于温室气体二氧化碳（CO?）的纪录片, 此纪录片可以在全球商业杂志类节目makro上观看。为此，ZDF记者Manfred Kessler和摄影师Armin Vater需要一种能证明二氧化碳存在的可靠方法，但肉眼无法看见二氧化碳。记者Manfred Kessler表示，曾看到过一些红外热像仪将二氧化碳可视化的视频，“在视频中，你可以清楚地看到带特定滤光片的红外热像仪是如何可视化二氧化碳排放的，例如由人或动物呼出的二氧化碳。除此之外，这台热像仪还能够显示从汽车、飞机或化工厂排放出来的二氧化碳。”因此，他们立即寻求与FLIR公司合作，FLIR公司推荐了一款专门用于将二氧化碳可视化的热像仪。02FLIR GF343——CO?专属热像仪并非所有的热像仪都能检测到气体。通常而言，红外热像仪仅将场景中的不同温度显示为不同色彩，将热能可视化。你需要一个配备制冷型探测器、专门捕捉特定波长，并配合特定滤光片的热像仪，才能检测到指定气体。虽然传统红外热像仪近年来已变得更加普遍且其可选配件也经济合算，如FLIR ONE PRO手机红外热像仪，但是在整个德国，仅有少数几款热像仪能够可视化二氧化碳。FLIR GF343就是一款能在安全距离内快捷发现二氧化碳泄漏源的光学气体热像仪。FLIR GF343搭载一颗由锑化铟（InSb），即铟（In）和锑（Sb）元素的化合物制成的高灵敏度探测器，在光电子学领域锑化铟是制造红外传感器的合适材料。探测器装有特定的滤光片，使其能够记录从4200nm到4400nm的极窄波长范围内的图像，该波长范围恰好是二氧化碳能被可视化的红外波长范围。但是，为了实现这一点，探测器本身必须处于极冷条件下：准确说是-198℃。为此，热像仪内部安装了一个Sterling制冷器，以产生极低温度。这需要时间，制冷器在开启后工作大约5分钟，直到探测器足够冷且热像仪可以使用。03学习操作FLIR光学气体热像仪在节目拍摄前，FLIR公司在法兰克福向摄影师Armin Vater和他的同事Lasse Brünjes介绍了 FLIR GF343的一些操作方法。他们不仅学习了热像仪的一般操作功能（记录视频或静态图像、变更设置、更换电池等），也学习了一些对红外成像很重要的特殊功能：选择正确的调色板依据红外辐射强度分配一系列颜色，FLIR热像仪提供一系列调色板，将原本肉眼不可见的红外光谱变得可见。调色板可以是黑白的，将较冷区域显示为深灰和黑色，将较暖区域显示为浅灰色和白色。这种调色板常用于安全部门的红外热像仪上，鉴于其色调简单，从远处检测人员将变得更加容易，在颜色较深的环境中将人显示为明亮的白点。但是，热像仪还有其它调色板，如彩虹色调色板或铁红色调色板，颜色从白色/黄色到深红/紫色。特殊的高灵敏度模式（HSM）能非常清晰地显示气体排放物，这对于移动的视频图像非常有帮助。但是，使用红外热像仪进行作业需要专业知识。例如，使用红外热像仪无法透过玻璃进行检测，这也是热像仪的镜头不采用玻璃材质而采用锗元素的原因。顺带提一下，红外热像仪也无法像我们有时在好莱坞电影中看到的那样，透过墙壁检测人体或热信号，这纯属虚构。但是，那并不是来自makro的拍摄制作团队想要利用FLIR GF343实现的真正作用。取而代之的是，摄影师Armin Vater和他的同事Lasse Brünjes拍摄了一个繁忙十字路口的汽车排放情况，法兰克福机场上飞机的二氧化碳排放情况，一座化工厂的烟囱和居民楼的烟囱，还有人呼出的气体。有了巨大的发现：尽管在肉眼看来，化工厂的烟囱似乎没有任何活动，但是FLIR GF343能清晰地显示出二氧化碳烟柱。makro纪录片已于2019年12月在3Sat播出，想要详细了解有关制造业、旅游业和其它工业领域中二氧化碳排放的情况的菲粉们，可以在makro媒体中心观看。

据悉，中国科学院大气物理研究所基于低成本中精度温室气体传感器，研究团队成功构建地基—无人机协同碳观测网络（LUCCN），并利用该观测网络对发电厂二氧化碳排放进行了定性和定量研究。相关研究成果在线发表于《大气科学进展》杂志。人为排放的大量二氧化碳留存在大气中，造成全球气候的显著变化。为尽快落实《巴黎协定》，降低气候变化对人类的影响，控制人为碳排放已成为社会各界的基本认识。“然而，由于对城市地区、重点行业的二氧化碳排放情况了解不足，我们目前掌握的全球碳收支情况仍具有很大的不确定性。”论文第一作者、中国科学院大气物理研究所副研究员杨东旭说，考虑到人为排放源具有较高的排放强度和复杂多变性，有必要对大气二氧化碳浓度变化开展密集、高质量的连续探测。为此，来自中国科学院大气物理研究所、中国科学院空天信息创新研究院等单位的多个科研团队紧密合作，在广东省深圳市和广西壮族自治区南宁市先后开展了针对城市地区和重点行业的温室气体地基遥感和无人机综合观测实验。实验中，杨东旭团队构建了一套地基便携设备和无人机飞行阵列协同的碳观测网络，以弥补温室气体探测卫星时空连续性不足的缺憾，形成了针对排放源的立体观测网络。该观测网络由5台地基观测设备和4台无人机设备构成，能够实现空—地协同的温室气体原位探测。杨东旭说：“这些探测设备均采用低成本、高精度的非色散红外传感器对大气二氧化碳浓度进行探测，每台地基观测设备均配备了高精度微型气象站，辅助后续的数据定标和量化分析。”杨东旭表示，新观测网络兼具地基和无人机的探测能力，在探测的时间连续性、空间覆盖度、机动性等方面具有明显优势，极大地提升了探测数据的有效信息含量。

中国碳卫星联合欧洲哨兵卫星对中国唐山地区开展相关监测（2018年5月6日）示意图。中科院大气所供图中国科学院大气物理研究所(中科院大气所)中国碳卫星(TanSat)研究团队联合芬兰气象研究所团队，最近首次利用中国碳卫星观测定量识别和计算城市碳排放，这也是中国碳卫星首次成功用于城市二氧化碳排放的定量监测，从而实证中国碳卫星具有城市级别碳排放监测的能力。在中欧温室气体遥感监测合作协议支持下，中芬研究团队这次合作研究还通过使用欧洲哨兵卫星(Sentinel-5P)同步开展二氧化氮观测及对比研究，相关研究成果论文10月25日在专业学术期刊《大气科学进展》上在线发表。 中欧卫星协同观测计算和排放清单结果一致中科院大气所中国碳卫星研究团队指出，应对或减缓全球变暖，是人类在21世纪面临的挑战，由于化石燃料燃烧和土地利用变化等人为活动，二氧化碳浓度增加了40%以上。与化石燃料使用有关的排放尤其局限于当地，城市地区是全球二氧化碳排放量的主要贡献者，占全球排放量70%以上。尽管新冠肺炎疫情对全球经济体造成较大影响，但化石燃料二氧化碳排放量2021年仍然增加了5%。与此同时，科学家在计算人为排放方面仍然存在较大的不确定性。该团队认为，利用碳监测卫星进行全球人为排放的监测更具优越性，碳监测卫星直接观测大气二氧化碳浓度，但仅凭单一二氧化碳要素的观测，定量区分二氧化碳浓度变化源来自于人为排放还是自然过程是一个难点问题。化石燃料燃烧为二氧化碳人为排放之主要来源，而石油等化石燃料的燃烧伴随排放二氧化氮，即人为排放二氧化碳和二氧化氮具有较强的同源性，因此，理论上通过二氧化氮和二氧化碳的同步监测，就可以有效计算人为碳排放。本次联合研究应用中国碳卫星二氧化碳观测数据和欧洲哨兵卫星的二氧化氮观测数据，选取中国唐山(2018年5月6日)和日本东京(2018年3月29日)两个案例，定量计算出人为碳排放和二氧化氮的相关性。该计算结果和排放清单给出的结果一致，论证了通过联合应用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星的协同观测，可以对二氧化碳/二氧化氮排放比例进行定量监测，证实了中国碳卫星可以定量识别城市人为碳排放。同时，这也标志着中国已经具备空间监测人为活动碳排放的能力。中国碳卫星及其观测数据逐步走向世界中科院大气所介绍说，中国碳卫星全称为“全球二氧化碳监测科学实验卫星”，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比(简称“全球大气二氧化碳浓度”)的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星观测数据。2016年12月，中国碳卫星成功发射并在轨运行，成为世界第三颗温室气体卫星。中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星，星上搭载有主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪”(ACDS)和辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪”(CAPI)。其中，主载荷利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射，对大气中二氧化碳的含量进行探测。中国碳卫星第一版全球大气二氧化碳浓度科学数据产品于2017年10月对全球发布；第二版全球大气二氧化碳浓度科学数据产品将精度提升至1.47ppm(体积百万分比)的国际先进水平精度；基于第二版科学产品，中国碳卫星获得全球二氧化碳通量的数据产品。2020年初，中国科技部国家遥感中心与欧洲空间局签署温室气体遥感监测合作协议，推动中国碳卫星加入欧洲空间局第三方卫星数据应用计划，也表明中国碳卫星及其观测数据开始逐步走向世界。本次研究在该协议的支持下，中芬团队联合使用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星，也进一步提升了中国碳卫星的监测能力。中国下一代碳卫星已论证设计即将研制在中国碳卫星即将迎来发射运行6周年纪念日之际，中科院大气所中国碳卫星研究团队透露，中国下一代碳卫星的论证设计工作已经开始，卫星研制工作也即将启动。中国新一代碳卫星将在秉承第一代卫星所具有的技术优势基础上，进一步提升探测能力，以应用需求与科学需求为出发点。其目标测量将以城市为重点，以高定量、高时频、高分辨探测全球大气二氧化碳浓度从城市中心到郊区的梯度，以提高碳排放量估算的准确性。该团队表示，中国下一代碳卫星将是一个天基系统，希望每天可多次覆盖一个城市或者碳排放点源，同时将具备协同开展二氧化氮观测能力，以更好地用于对人为碳排放量进行独立测算。