近年來,隨著人們對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量和美麗生態(tài)環(huán)境的要求越來越高,氣溶膠、PM2.5、溫室氣體、霧-霾、臭氧等成為高頻詞,備受公眾關(guān)注。當(dāng)然,它們也是大氣成分科研的重要課題。

這些似乎看不見摸不著的大氣成分,是怎么探測(cè)到的?技術(shù)人員用了哪些高精尖的設(shè)備?今天,讓我們一探究竟。

1、貝塔射線法氣溶膠質(zhì)量濃度觀測(cè)儀:境氣象監(jiān)測(cè)采樣“大當(dāng)家”

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

我是貝塔射線法氣溶膠質(zhì)量濃度觀測(cè)儀,從2014年開始大規(guī)模服務(wù)于氣象部門。貝塔射線法是目前國(guó)內(nèi)外通用的氣溶膠質(zhì)量濃度在線觀測(cè)方法之一(其他的還有光散射法、振蕩微天平法),也是目前我國(guó)環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)采樣最多的方法。大家要是去上甸子大氣本底站,就可以看到那個(gè)高大帥氣的我啦。

別看我塊頭大,其實(shí)我的“心”極為精細(xì)。大氣中0.01到100微米之間氣溶膠粒子,我都“攔”得住,不僅如此,我還可以對(duì)它們的質(zhì)量進(jìn)行分析。

根據(jù)氣溶膠對(duì)貝塔射線的吸收特性,我用“體內(nèi)”的抽氣泵選取具有代表性的大氣樣本,將其中的氣溶膠粒子“攔截”后,用貝塔射線源對(duì)這些粒子進(jìn)行照射,通過分析照射前后貝塔射線的衰減程度來計(jì)算氣溶膠粒子質(zhì)量變化。由此,得到采樣空氣中氣溶膠的質(zhì)量濃度。

氣溶膠粒徑不一,如何測(cè)量不同粒徑的質(zhì)量濃度?這就需要選用不同的進(jìn)氣口切割頭,如總懸浮顆粒物(TSP)、粒徑在10微米以下的顆粒物(PM10)、PM2.5以及PM1,針對(duì)不同的氣溶膠粒子,我會(huì)用不同的切割頭來對(duì)付它。

近些年來,隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來越高,氣溶膠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用途越來越廣泛,環(huán)境評(píng)價(jià)、模式預(yù)報(bào)等都離不開我的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

據(jù)我所知,目前,中國(guó)氣象局的《大氣環(huán)境氣象公報(bào)》《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書》以及霾時(shí)、霾等級(jí)產(chǎn)品制作都有我的數(shù)據(jù)支撐。

2、含氟溫室氣體及消耗臭氧層物質(zhì)分析系統(tǒng):“純手工”打造的Medusa

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

我的英文名字叫做Medusa,就是希臘神話里那個(gè)一頭波浪卷發(fā)的女妖,大概是因?yàn)槲业木€太多,和Medusa外形看起來很像吧。但是,我可不是一個(gè)可怕的妖怪,相反,我是一套“神奇”的大氣成分分析系統(tǒng)。說神奇,因?yàn)槲沂侵袊?guó)氣象局科研人員通過國(guó)際合作在實(shí)驗(yàn)室“純手工”打造的,且目前在市場(chǎng)上還無法購買。

我的核心是用200余個(gè)零件“拼裝”的樣品預(yù)處理系統(tǒng),特別是手工填充了兩個(gè)特殊材質(zhì)的捕集阱,可以在零下180℃到100℃間急速變溫,把需要測(cè)量的氣體從空氣中分離出來。我采用了號(hào)稱“萬能檢測(cè)器”的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,這樣就可以精確測(cè)定分離后的氣體的含量。

我的神奇之處在于強(qiáng)大的功能,可以分析大氣中的50余種濃度極低的氣體,包括引起氣候變暖的4類含氟溫室氣體(氫氟碳化物HFC、全氟化碳PFC、六氟化硫SF6、三氟化氮NF3)以及引起臭氧損耗的6類消耗臭氧層物質(zhì)(氯氟碳化物CFC、氫氯氟碳化物HCFC、哈龍Halon、甲基氯仿CH3CCl3、四氯化碳CCl4、甲基溴CH3Br)。

我最神奇之處還在于可以檢測(cè)到大氣中ppt(萬億分之一)量級(jí)的痕量物種,且誤差不超過1%。萬億分之一是什么概念?打個(gè)比方,就像在100倍地球人口中(一萬億人),精確地找到需要的那一個(gè)人,描述其身高體重,誤差不超過1公分、1公斤。

我能做到這一點(diǎn),全仰仗兩個(gè)捕集阱,它們可以把空氣中的氮?dú)?、氧氣、氬、二氧化碳從樣品中去除,僅留下含氟溫室氣體和消耗臭氧層物質(zhì)進(jìn)入氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析,這樣避免了干擾物質(zhì)的影響,大大提高了分析的精度。

近年來,由我分析獲得的含氟溫室氣體及消耗臭氧層物質(zhì)數(shù)據(jù)已經(jīng)用在《中國(guó)溫室氣體公報(bào)》和聯(lián)合國(guó)《臭氧損耗評(píng)估報(bào)告》等重要報(bào)告中,為評(píng)估氣候變化和臭氧損耗等重要的全球環(huán)境問題提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中,系統(tǒng)分析獲得的北京上甸子本底站3種含氟溫室氣體和7種消耗臭氧層物質(zhì)的本底濃度每年通過《中國(guó)溫室氣體公報(bào)》向公眾發(fā)布。

3、反應(yīng)性氣體監(jiān)測(cè)儀:活躍氣體捕捉者

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

大氣成分中有一個(gè)“活躍家族”(氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等),它們喜歡且容易與大氣家族中其他成員發(fā)生反應(yīng),這個(gè)活躍家族也稱為反應(yīng)性氣體。

它們化學(xué)反應(yīng)活性較強(qiáng),到處刷存在感,尤其喜歡“插足”污染氣溶膠、酸雨及光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的反應(yīng)過程,在較快的大氣化學(xué)反應(yīng)(通常是氧化反應(yīng))后“72變”,有的轉(zhuǎn)化為其他成分,有的從此在大氣家族中消失。

對(duì)于這類活躍分子,大氣探測(cè)科學(xué)家有沒有辦法捕捉到它們的蛛絲馬跡?

答案是有的——那就是我,一個(gè)來自美國(guó)的反應(yīng)性氣體監(jiān)測(cè)儀,看似簡(jiǎn)單,顏值普通甚至有些古板,但是,在環(huán)境氣象觀測(cè)站點(diǎn),卻是主角之一。

正因?yàn)榭偘炎约寒?dāng)主角,在主角光環(huán)籠罩下,我很容易就“飄飄然”——監(jiān)測(cè)零點(diǎn)每隔一段時(shí)間就會(huì)漂移,需要技術(shù)人員定期進(jìn)行標(biāo)定。而且,我有些挑剔,只測(cè)量氣體,所以,技術(shù)人員要采取一些手段來防止顆粒物進(jìn)入我的肚子里,那就是給我戴上口罩,還需要定期更換喲。

我是如何監(jiān)測(cè)反應(yīng)性氣體的?多采用化學(xué)發(fā)光法(測(cè)量NOx)、紫外熒光法(測(cè)量SO2)、氣體濾光相關(guān)分析法(測(cè)量CO)、紫外光度法(測(cè)量O3)。化學(xué)發(fā)光法是利用NO分子和O3反應(yīng)之后所產(chǎn)生特征光的強(qiáng)度與NO濃度線性成比例這一特性;紫外熒光法是利用SO2與被它激發(fā)出來的紫外熒光光強(qiáng)成線性關(guān)系這一規(guī)律;氣體濾光相關(guān)分析法的工作原理是根據(jù)CO可吸收波長(zhǎng)為4.6微米紅外光這一現(xiàn)象;紫外光度法根據(jù)臭氧對(duì)253.7納米波長(zhǎng)的紫外光有特征吸收這一原理??傊歉黠@神通。

雖說是主角,我還是任勞任怨的,每小時(shí)將反應(yīng)性氣體數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式發(fā)到國(guó)家級(jí)業(yè)務(wù)單位,為專家開展環(huán)境評(píng)估、《大氣環(huán)境氣象公報(bào)》制作等提供素材。

4、紫外輻射分光光譜儀:太陽的忠實(shí)“追隨者”

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

我是一個(gè)從國(guó)外引進(jìn)的精密儀器,也是世界氣象組織推薦使用的臭氧柱總量觀測(cè)儀器。

目前,我國(guó)氣象部門使用的紫外輻射分光光譜儀均為國(guó)外引進(jìn)。所以,一旦我出現(xiàn)故障,維護(hù)起來比較困難。

紫外線我們都不陌生,就是陽光中波長(zhǎng)為10~400納米的光線,可以分為UVA、UVB、UVC3種,紫外線照射會(huì)讓皮膚受到傷害。好在,大氣中的紫外線大部分會(huì)被臭氧層擋住。

別看臭氧在大氣中的含量很少,但作用極大。大氣臭氧主要集中在平流層,它對(duì)紫外線的強(qiáng)烈吸收保護(hù)了地表生物和人類,同時(shí)平流層臭氧還是平流層的主要熱源,對(duì)地球大氣環(huán)流和地球氣候的形成起著重要作用。

如何測(cè)量大氣中臭氧?從上世紀(jì)90年代起, 我被引進(jìn)用于臭氧柱總量的觀測(cè),在拉薩大氣成分站和三個(gè)國(guó)家大氣本底站——瓦里關(guān)、龍鳳山、臨安開展基于紫外輻射分光光譜儀的臭氧柱總量觀測(cè)。

我可以準(zhǔn)確地跟蹤太陽,測(cè)量紫外輻射五個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)。不僅如此,還可以基于差分吸收的原理反演大氣臭氧柱總量、臭氧垂直廓線和二氧化硫SO2濃度。

目前,中國(guó)氣象局大氣本底臭氧總量觀測(cè)參與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的地面驗(yàn)證和氣候變化評(píng)估,定期報(bào)送世界臭氧和紫外輻射資料中心(WOUDC),應(yīng)用于WMO每4年一次的平流層臭氧損耗評(píng)估。

5、二氧化碳/甲烷/一氧化碳分析系統(tǒng):高效團(tuán)結(jié)“兄弟連”

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

我們是一套全自動(dòng)、高精度的分析系統(tǒng),是一個(gè)高效協(xié)作的團(tuán)隊(duì),成員有——進(jìn)樣系統(tǒng)、分析(標(biāo)校)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。老大進(jìn)樣系統(tǒng)負(fù)責(zé)樣品采集和預(yù)處理,老二分析(標(biāo)校)系統(tǒng)負(fù)責(zé)樣品準(zhǔn)確分析,老三數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算、封裝和上傳,老四監(jiān)控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)三個(gè)哥哥進(jìn)行監(jiān)控,保證他們的穩(wěn)定運(yùn)行。

整個(gè)團(tuán)隊(duì)由中國(guó)氣象局工作人員自主組建,自2010年以來一直在全國(guó)大氣本底站服役。

我們哥兒幾個(gè)向來分工明確,老大打頭陣,將空氣樣品連續(xù)自動(dòng)采集后,通過過濾器過濾掉顆粒物,再經(jīng)過除水裝置除去水分,從而得到“干凈和干燥的空氣”。老二在拿到老大送來的空氣樣品后,對(duì)其中的二氧化碳/甲烷/一氧化碳的濃度進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。分析(標(biāo)校)系統(tǒng),也就是我們的老二,有一個(gè)核心部件——光腔衰蕩光譜分析儀,其測(cè)量原理可簡(jiǎn)單理解為:一束激光進(jìn)入一個(gè)含有空氣樣品的空屋子內(nèi),在墻壁上來回反射而形成振蕩,通過記錄該束激光的衰減過程得出屋內(nèi)氣體濃度的變化。

這兩個(gè)成員完成自己的工作后,老三出場(chǎng),將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、封裝和自動(dòng)上傳至指定終端,一系列工作完成。等等,還需要老四驗(yàn)收一下工作成果,防止前面幾個(gè)大哥犯錯(cuò)。

別看我們團(tuán)隊(duì)功能強(qiáng)大,兄弟眾多,但是,我們并不粗心,我們的測(cè)量精度達(dá)到了痕量級(jí)別(ppb),數(shù)據(jù)獲取是按秒計(jì)算的。毫不夸張地說,吹口氣都能看到儀器信號(hào)的火箭式上升。

多年來,我們兄弟齊心協(xié)力,也作出了不少貢獻(xiàn),我們的數(shù)據(jù)(部分)用于《WMO溫室氣體公報(bào)》和《中國(guó)溫室氣體公報(bào)》等重要報(bào)告,以及WMO、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)、政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)等多項(xiàng)科學(xué)評(píng)估,為國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化工作提供了一定借鑒,讓我們覺得特別有面子。

6、甲烷/一氧化碳/氧化亞氮/六氟化硫分析系統(tǒng):DIY的完美組合

那些“高精尖”的大氣成分探測(cè)儀

我們是技術(shù)人員“DIY”的一套分析系統(tǒng),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上此類設(shè)施的空白。氣象探測(cè)技術(shù)人員將樣品采集和預(yù)處理模塊、壓力和流量控制模塊、分析(標(biāo)校)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等組合后,成就了現(xiàn)在的我們。

我們團(tuán)隊(duì)中,樣品采集和預(yù)處理模塊將采集后的空氣樣品進(jìn)行過濾和除水,獲得干潔空氣樣品;壓力和流量控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集和預(yù)處理模塊中氣體的壓力和流量進(jìn)行控制,以滿足后續(xù)模塊運(yùn)行的要求;分析(標(biāo)校)模塊接收樣品采集和預(yù)處理模塊送來的干潔空氣樣品后,對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。分析(標(biāo)校)模塊的核心部分是一臺(tái)氣相色譜儀,該儀器可以將樣品中的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行分離并檢測(cè)。這三個(gè)成員完成自己的工作后,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、封裝和自動(dòng)上傳至指定終端。

別看我們是DIY,功能一點(diǎn)也不遜色,能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷/一氧化碳/氧化亞氮/六氟化硫四種溫室氣體的全自動(dòng)實(shí)時(shí)在線分析。我們的分析精度均達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際上,我們已經(jīng)在全國(guó)6個(gè)大氣本底站使用了10年,獲得的數(shù)據(jù)每年通過《中國(guó)溫室氣體公報(bào)》向公眾發(fā)布。