二氧化碳傳感器從空中監(jiān)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(chǎn)生的副產(chǎn)物，工業(yè)領(lǐng)域和車輛都會排放CO2。對于科學(xué)家來說，CO2在氣候變化中的作用已經(jīng)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(fā)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?qū)㈤_發(fā)一顆衛(wèi)星，名為“夜間、白天和季節(jié)性的二氧化碳排放監(jiān)測有源傳感衛(wèi)星”（簡稱“ASCENDS衛(wèi)星”）。該項目被美國國家研究理事會列為NASA《地球科學(xué)十年規(guī)劃（2007年）》中最重要的15項任務(wù)之一。

蘭利研究中心科學(xué)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(wèi)星項目的子任務(wù)之一，負責開發(fā)一種能夠在夜間和白天獲得CO2排放數(shù)據(jù)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?！?/p>

該傳感器使用了3臺激光器，能夠持續(xù)向大氣層發(fā)射激光。3臺激光器的波長略有不同，其中一臺發(fā)射的激光大部分可被CO2吸收，另兩臺發(fā)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(fā)的傳感器使用的是連續(xù)激光，而戈達德空間飛行中心使用的是脈沖激光。利用連續(xù)激光獲得的數(shù)據(jù)可與利用脈沖激光探測獲得的數(shù)據(jù)進行比較，因為3臺激光器的讀數(shù)是同時獲得的。

目前，雖然ASCENDS衛(wèi)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(xù)研究這個項目潛在的應(yīng)用。Mike Obland說：“在2017年即將制定的下一個十年規(guī)劃中，可能會重新賦予該衛(wèi)星項目優(yōu)先權(quán)。但考慮到自2007年開始，多個用于從太空中研究CO2循環(huán)的衛(wèi)星已發(fā)射升空，如軌道碳觀測衛(wèi)星-2，因此，在下一個十年規(guī)劃中，也可能完全取消ASCENDS衛(wèi)星的開發(fā)，僅僅利用已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星來開展CO2循環(huán)方面的研究。”

即使ASCENDS衛(wèi)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(guān)技術(shù)也將在地球上發(fā)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(wèi)星項目的研發(fā)工作。

J. Stewart Hager就職的一家名為“大氣與環(huán)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(fēng)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(fā)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?！?/p>

▲ 在車輛經(jīng)過區(qū)域安裝的EDAR系統(tǒng)

2009年，J. Stewart Hager成立了Hager環(huán)境與大氣技術(shù)（HEAT）公司，基于蘭利研究中心為ASCENDS衛(wèi)星項目開發(fā)的工具設(shè)計了一種檢測CO2和其它廢氣的監(jiān)測系統(tǒng)——排放檢測與報告（EDAR）系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(fā)的儀器類似，EDAR系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用的技術(shù)更加先進，顯著提高了汽車尾氣遠程遙感系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

與蘭利研究中心為太空飛行開發(fā)的儀器相比，EDAR系統(tǒng)的運行速度稍慢，但地面測試結(jié)果的準確性相同，且價格更低。該系統(tǒng)安裝在交通繁忙區(qū)域內(nèi)的電線桿上，以監(jiān)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(tǒng)的城市。這些城市的管理部門采用EDAR系統(tǒng)查找在城市內(nèi)運行的尾氣排放不符合環(huán)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(fā)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(jīng)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(fā)生時，排放監(jiān)測站的測試結(jié)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(guī)排放測試系統(tǒng)標準，如大眾2015年的部分車型。而采用EDAR系統(tǒng)持續(xù)進行監(jiān)測，意味著每輛車都將被測試。

采用EDAR系統(tǒng)檢測一輛通過的汽車通常需要1.5min，每個測試結(jié)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(tǒng)還能夠識別干擾分子或污染物，并保證其不會影響結(jié)果的準確性。J. Stewart Hager說：“如果該項技術(shù)能夠在全美國范圍內(nèi)應(yīng)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(jiān)測站的測試，而不符合標準的車輛則必須進行檢查?！?/p>

J. Stewart Hager表示：“與NASA的合作使HEAT公司受益頗多。EDAR系統(tǒng)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)