温室气体监测仪

[align=center][img=,400,269]https://img1.17img.cn/17img/images/202402/uepic/0d3aa395-8cb6-4b55-8bca-7572e21c5fc4.jpg[/img][/align][align=center][img=,400,293]https://img1.17img.cn/17img/images/202402/uepic/f8ee2c0c-032d-41d9-96d4-513a4e755f66.jpg[/img][/align][align=center]图说：天基碳监测突击队的科研人员利用积分球模拟太阳光谱 新民晚报记者 陶磊 摄（下同）[/align][b]“看清”更多温室气体[/b]碳达峰，深入人心。可做得怎么样，得用科学数据来说话。“从天上往地面看气候变化”，上海技术物理研究所走在了前面，从2008年就率先开展天基温室气体监测技术的预先研究。天上飞着的碳卫星，有好几位不同国家的“前辈”了。高光谱温室气体监测仪，又“炼就”了哪些不一样的绝活？以我国2016年12月发射的全球二氧化碳监测科学实验卫星为例，它通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。上海技术物理研究所所长、仪器主任设计师丁雷说，温室气体可不止二氧化碳，还有水汽、甲烷、氧化亚氮等。“看”水是“基本功”，“看”二氧化碳是“进阶本领”各有千秋，而“看”甲烷可是“头一遭”，自然难得多。“要利用宽谱段高光谱方式来对地观测，这就要求监测仪能‘看到’的色彩更丰富、有更多细节，同时还要看得更远。”丁雷介绍。国际上同类仪器的视场幅宽普遍为10多公里，天基碳监测突击队却直接添了个零，要“看”100公里，“能有效缩短对全球和敏感地区的探测周期。”看得广还看得远，数据量随之增多，信息处理难度也陡增。记者了解到，[b]全球首台宽幅高精度温室气体监测仪样机已完成研制。相比国际上同类载荷性能指标，其光学总视场角增加7.3倍左右，光谱分辨率提升一倍，光谱采样率提升50%，信噪比提升30%。[/b][align=center][img=,400,293]https://img1.17img.cn/17img/images/202402/uepic/184c2ea5-a00e-47b6-a30a-11cc72320d41.jpg[/img][/align][align=center]图说：团队对载荷主光轴进行配准讨论[/align][b]技术迭代 队伍传承[/b]和照相机定格山川河流不一样，探测仪“看到”的是“虚”的，太阳高度角、风速、阴天晴天，都会对“所见”造成变化。科研人员获取的数据，得和大气成分做物理上的反演，建立起稳定的数学关系。“我们要把温室气体反演精度提高至1ppm，通俗讲就是，当大气中某一温室气体含量变化超过百万分之一时，监测仪就能发现。”丁雷解释。天基温室气体监测技术，在上海技术物理研究所，接力棒已在四届博士生手中传递过。这支数十人组成的攻关团队，年龄跨度覆盖了“60后”到“00后”，载荷亦不知更新迭代了多少回。光学副主任设计师成龙从攻读博士学位就开始瞄准这项技术，不知不觉已在所里奋斗快十年了，“很幸运参与到国家需要的前沿项目研究中去。”拿探测仪的“体重”来说，为满足科研需求，最初的设计直奔600公斤，可卫星上天也有“承重量”，对探测仪来说是个“既要又要”的难题——得轻些，稳定性还不能降低要求，这可是个无先例可循的创新活儿。机械副主任设计师雷松涛费尽心思，不同零件用上满足各自要求的复合材料，总算“减重”到了300公斤，“不同温度、重力环境下，载荷的结构形变不能超过微米级。”“根据科研任务的安排，研发的温室气体监测仪马上迎来阶段验收。春节期间，恰好是要在真空环境中联合测试。”综合电子学主任设计师张冬冬没觉得假期工作有什么大不了的，“测试需要24小时有人盯着，大家轮流过节，设备不歇。家住甘肃、贵州的科研人员，过了年初三也都陆续回来了。”[align=center][img=,400,303]https://img1.17img.cn/17img/images/202402/uepic/2f770c46-5d79-4180-a4dc-3e952cc3f2a8.jpg[/img][/align][align=center]图说：科研团队在进行真空光校测试[/align][b]准备“小考” “上马”新载荷[/b]一边紧锣密鼓地开展宽幅高精度温室气体监测仪的装校和定标实验，为三月到来的“小考”做好准备；另一头，一台新的载荷也在春节期间“上马”。团队也要“两条腿走路”，还得走得快而稳。“甲烷在平流层和对流层，可能会和不同成分发生反应。若将之作为一个科学问题看待，有很多环节缠绕在一起，以目前的技术手段，较难全面探测。”丁雷展望道，“未来天基温室气体监测必然朝着更多要素、更广范围发展。我们现在看到的是柱状浓度，今后希望能像CT一样，得到温室气体在大气中的垂直分布信息。”[来源：新民晚报][align=right][/align]

目前主流的温室气体监测技术是以光和气体组分的相互作用为物理机制，根据目标组分的特征光谱，借助光谱解析算法，再结合光机电算工程技术，实现温室气体浓度在不同时间、空间、距离下的非接触定量反演。常见的温室气体光谱学检测技术主要包括非分散红外光谱技术（NDIR）、傅立叶变换光谱技术（FTIR）、差分光学吸收光谱技术（DOAS）、差分吸收激光雷达技术（DIAL）、可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）、离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）、光腔衰荡光谱技术（CRDS）、激光外差光谱技术（LHS）、空间外差光谱技术（SHS）等。其中，NDIR技术利用气体分子对宽带红外光的吸收光谱强度与浓度成正比的关系，进行温室气体反演，具有结构简单、操作方便、成本低廉等优点，但仪器的光谱分辨率和检测灵敏度较低。FTIR技术通过测量红外光的干涉图，并对干涉图进行傅立叶积分变换，从而获得被测气体红外吸收光谱，能够实现多种组分同时监测，适用于温室气体的本底、廓线和时空变化测量及其同位素探测，仪器系统较为复杂，价格比较昂贵。DOAS也是一种宽带光谱检测技术，能够实现多气体组分探测，仪器光谱分辨率较低，易受水汽和气溶胶的影响。DIAL技术是一种利用气体分子后向散射效应进行气体遥感探测的光谱技术，具有高精度、远距离、高空间分辨等优点，系统较为复杂，成本较高。TDLAS技术利用窄线宽的可调谐激光光源，完整地扫描到气体分子的一条或几条吸收谱线，具有响应速度快、灵敏度高、光谱分辨率高等优势，能够实现温室气体原位点式和区域开放式探测，对于多气体组分探测通常需要多个激光器复用实现。CRDS和OA-ICOS技术均属于小型化的气体原位探测技术，在温室气体监测方面，能够实现很高的检测灵敏度，成本比TDLAS要高。LHS和SHS都属于高精度、高光谱分辨的气体检测技术，适用于温室气体的柱浓度或垂直廓线探测，可用于地基和星载大气探测领域。虽然光谱学检测技术的原理各不相同，但基本都是基于温室气体在红外波段的特征吸收光谱来进行浓度反算的，针对不同的应用场景，综合上述技术的测量优势，可以实现多空间尺度、多时间尺度、多气体组分的连续自动监测，满足生态、环境、气候研究对温室气体排放监测的多样需求。在温室气体高灵敏探测技术方面，以美国Picarro、ABB为代表的气体分析仪器公司，开发了高性能的CRDS、OA-ICOS气体检测仪器，在国内大气背景站、高原科考及其他温室气体高精度测量需求领域占据了绝对市场；温室气体柱总量及垂直廓线探测方面，德国Bruker超高分辨FTIR地基遥感是TCCON等组织全球碳排放观测的主要技术方案；德国航空航天中心利用星载DIAL实现了三种主要温室气体的高精度遥感探测；LHS地基/星载温室气体探测是NASA发展部署中的技术方案，相关产品的工程化和应用水平处于国际领先地位；在温室气体区域分布航测和排放源遥测评估方面，德国不莱梅大学开展了基于SCIAMACHY卫星和机载WFMDOAS的算法及系统集成研究。目前国内在温室气体监测技术研究方面也开展了大量的工作，一些产品仪器也实现了产业化推广，包括原位点式TDLAS温室气体监测仪、开放光路长光程TDLAS温室气体测量仪、机载高灵敏CRDS温室气体分析仪、原位点式高精度OA-ICOS温室气体分析仪和温室气体SHS卫星监测载荷等，代表性研究单位包括中国科学院安徽光机所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学、国防科技大学、山西大学、南京信息工程大学等。由于起步较晚，国内在温室气体高端分析仪器性能上，尤其是测量精度、环境适应性和长期稳定性等技术指标方面与国外还存在一定的差距。

在人为温室气体排放中，地面点源排放占比最高。典型的点源排放主要包括火电、钢铁、石化、化工等重点行业固定点源及高架点源等工业点源排放。此外，城市也是二氧化碳排放的主要来源，包括地面交通、城市餐饮集中区等典型城市点源排放，废弃物处理行业的废弃物填埋场和污水处理过程点源排放，以及农林畜牧养殖业点源排放等。针对地面点源温室气体监测，又分为原位点式探测和开放光路区域式探测两种方式，代表性检测技术有NDIR、TDLAS、CRDS、OA-ICOS和FTIR。原位点式探测仪器，其内部设计有密封式或开放式吸收池，面向的是环境中特定位置处或密闭舱室内的温室气体监测，仪器便携性好，可以通过移动监测仪器实现不同点位的温室气体原位探测，适用于小范围区域的气体排放监测，代表性检测仪器包括美国Licor公司生产的NDIR便携式CO2分析仪、Picarro公司生产的CRDS高精度CO2/CH4/N2O分析仪、中国科学院安徽光机所研制的OA-ICOS高精度CO2/CH4分析仪等。开放光路区域式探测仪器，利用一对收发光学端，面向开放区域下的温室气体监测，适用于几十米至几百米范围的较大空间尺度监测，代表性检测仪器包括安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的TDLAS开放光路长光程CO2/CH4分析仪和中国科学院安徽光机所研制的FTIR开放光路CO2/CH4分析仪。