編譯 胡德良 信夢(mèng)莎

在嚴(yán)重遭受溫室氣體排放威脅的世界里，對(duì)溫室氣體的測(cè)量可能會(huì)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(qiáng)行通過(guò)一個(gè)分析器。況且，許多這樣的技術(shù)一次只能測(cè)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(gè)化合物的激光光譜技術(shù)已經(jīng)存在幾十年了，但是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一個(gè)可以同時(shí)測(cè)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(tǒng)。

參與該項(xiàng)目的NIST研究員凱文·科塞爾（Kevin Cossel）說(shuō)：“這是一套精致而強(qiáng)大的設(shè)備，可以得到非常高的光譜分辨率?！?/p>

這套設(shè)備背后的技術(shù)是光頻梳，它幫助科學(xué)家贏得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在本質(zhì)上，光頻梳是以特定的、均勻間隔的頻率發(fā)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(lái)像一把梳子，因而得名“光頻梳”。事實(shí)上，光頻梳極其精確，這是它的一大優(yōu)勢(shì)。 基于光頻梳的掃描技術(shù)依賴于雙梳裝置——利用兩個(gè)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(fù)雜的光柵或移動(dòng)部件。

好幾年以來(lái)，NIST一直在利用光頻梳實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)。最初，NIST的研究人員將激光梳調(diào)到近紅外波長(zhǎng)，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(gè)系統(tǒng)還有另一個(gè)關(guān)鍵特征：它是開放式的。當(dāng)光頻梳被調(diào)到不被大氣特性吸收的頻率，它們的激光可以持續(xù)一千米的距離，并可以觀察到這段距離內(nèi)的一切。觀測(cè)溫室氣體排放時(shí)，并不是從單一的點(diǎn)位開始，可以設(shè)置一個(gè)網(wǎng)格來(lái)觀察某個(gè)指定區(qū)域的排放。

激光通過(guò)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(yáng)臺(tái)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(cè)量結(jié)果與較大規(guī)模的氣體排放模型所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行比較。科塞爾說(shuō)：“如果你正在這個(gè)開放的路徑上進(jìn)行測(cè)量，那么你就已經(jīng)與模型的網(wǎng)格大小相匹配了。因此，為了得到真正高分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，模型可能會(huì)利用邊長(zhǎng)為數(shù)百米或一千米的網(wǎng)格來(lái)觀察目標(biāo)成分的散布情況和空氣質(zhì)量。因此，在某種程度上你要與之相匹配。”

該系統(tǒng)最初的重點(diǎn)之一是測(cè)量甲烷，甲烷比二氧化碳更有可能導(dǎo)致全球變暖。燃燒化石燃料（尤其是石油和天然氣）會(huì)釋放甲烷，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)也會(huì)釋放甲烷，其中最有名的就是牛羊等反芻動(dòng)物的打嗝和胃腸脹氣排放。因此，NIST研究小組將這項(xiàng)技術(shù)帶到這一領(lǐng)域，實(shí)際上就是測(cè)量布滿奶牛的場(chǎng)地上所產(chǎn)生的排放?，F(xiàn)在，這一技術(shù)廣泛用于這個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也用于檢測(cè)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(rèn)為：如果他們能夠?qū)⒐忸l梳的波長(zhǎng)延長(zhǎng)，使其深入到紅外領(lǐng)域，接近5微米，這樣能夠進(jìn)一步開放路徑，那么他們就可以檢測(cè)到一些其他氣體。研究人員成功地測(cè)試了這個(gè)裝置，并在《激光與光電子評(píng)論》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

除了二氧化碳、甲烷和水蒸氣之外，現(xiàn)在NIST的光頻梳系統(tǒng)還可以測(cè)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?？迫麪栒f(shuō)：“現(xiàn)在，我們正在努力使其成為一個(gè)更有效的系統(tǒng)。”

既然已證明這項(xiàng)技術(shù)是有效的，科塞爾希望該技術(shù)可以用來(lái)研究城市空氣質(zhì)量和野火的影響，研究來(lái)自交通和農(nóng)業(yè)的一氧化二氮排放。他認(rèn)為，我們對(duì)這種排放還沒(méi)有充分了解。

資料來(lái)源 IEEE Spectrum