近年來(lái)，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(lái)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(jiàn)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”
我是貝塔射線法氣溶膠質(zhì)量濃度觀測(cè)儀，從2014年開(kāi)始大規(guī)模服務(wù)于氣象部門(mén)。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(guò)分析照射前后貝塔射線的衰減程度來(lái)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(lái)對(duì)付它。
近些年來(lái)，隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，氣溶膠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用途越來(lái)越廣泛，環(huán)境評(píng)價(jià)、模式預(yù)報(bào)等都離不開(kāi)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(shū)》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
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(lái)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(shuō)神奇，因?yàn)槲沂侵袊?guó)氣象局科研人員通過(guò)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(wú)法購(gòu)買(mǎi)。
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(lái)。我采用了號(hào)稱(chēng)“萬(wàn)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(lèi)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(lèi)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(wàn)億分之一）量級(jí)的痕量物種，且誤差不超過(guò)1%。萬(wàn)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(wàn)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(guò)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)狻⒀鯕狻?、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(lái)，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(wèn)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(guò)《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
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(chēng)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(wèn)題的反應(yīng)過(guò)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(lèi)活躍分子，大氣探測(cè)科學(xué)家有沒(méi)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(lái)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(lái)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）?；瘜W(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(lái)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。總之，是各顯神通。
雖說(shuō)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(zhuān)家開(kāi)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(yáng)的忠實(shí)“追隨者”
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(mén)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(lái)比較困難。
紫外線我們都不陌生，就是陽(yáng)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(lèi)，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(kāi)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(yáng)，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”
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(lái)一直在全國(guó)大氣本底站服役。
我們哥兒幾個(gè)向來(lái)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(guò)過(guò)濾器過(guò)濾掉顆粒物，再經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)回反射而形成振蕩，通過(guò)記錄該束激光的衰減過(guò)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(lèi)、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(shuō)，吹口氣都能看到儀器信號(hào)的火箭式上升。
多年來(lái)，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(zhuān)門(mén)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(jué)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
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(lèi)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(guò)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(lái)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(lèi)、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(guò)《中國(guó)溫室氣體公報(bào)》向公眾發(fā)布。
大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警