近年來，隨著人們對大氣環(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)量濃度觀測儀：境氣象監(jiān)測采樣“大當(dāng)家”
我是貝塔射線法氣溶膠質(zhì)量濃度觀測儀，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內(nèi)外通用的氣溶膠質(zhì)量濃度在線觀測方法之一（其他的還有光散射法、振蕩微天平法），也是目前我國環(huán)境氣象監(jiān)測采樣最多的方法。大家要是去上甸子大氣本底站，就可以看到那個高大帥氣的我啦。
別看我塊頭大，其實我的“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，我還可以對它們的質(zhì)量進(jìn)行分析。
根據(jù)氣溶膠對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，針對不同的氣溶膠粒子，我會用不同的切割頭來對付它。
近些年來，隨著人們對生態(tài)環(huán)境的要求越來越高，氣溶膠監(jiān)測數(shù)據(jù)用途越來越廣泛，環(huán)境評價、模式預(yù)報等都離不開我的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
據(jù)我所知，目前，中國氣象局的《大氣環(huán)境氣象公報》《中國氣候變化藍(lán)皮書》以及霾時、霾等級產(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一頭波浪卷發(fā)的女妖，大概是因為我的線太多，和Medusa外形看起來很像吧。但是，我可不是一個可怕的妖怪，相反，我是一套“神奇”的大氣成分分析系統(tǒng)。說神奇，因為我是中國氣象局科研人員通過國際合作在實驗室“純手工”打造的，且目前在市場上還無法購買。
我的核心是用200余個零件“拼裝”的樣品預(yù)處理系統(tǒng)，特別是手工填充了兩個特殊材質(zhì)的捕集阱，可以在零下180℃到100℃間急速變溫，把需要測量的氣體從空氣中分離出來。我采用了號稱“萬能檢測器”的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，這樣就可以精確測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到大氣中ppt（萬億分之一）量級的痕量物種，且誤差不超過1%。萬億分之一是什么概念？打個比方，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《中國溫室氣體公報》和聯(lián)合國《臭氧損耗評估報告》等重要報告中，為評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《中國溫室氣體公報》向公眾發(fā)布。
3、反應(yīng)性氣體監(jiān)測儀：活躍氣體捕捉者
大氣成分中有一個“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。
對于這類活躍分子，大氣探測科學(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，一個來自美國的反應(yīng)性氣體監(jiān)測儀，看似簡單，顏值普通甚至有些古板，但是，在環(huán)境氣象觀測站點(diǎn)，卻是主角之一。
正因為總把自己當(dāng)主角，在主角光環(huán)籠罩下，我很容易就“飄飄然”——監(jiān)測零點(diǎn)每隔一段時間就會漂移，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)測反應(yīng)性氣體的？多采用化學(xué)發(fā)光法（測量NOx）、紫外熒光法（測量SO2）、氣體濾光相關(guān)分析法（測量CO）、紫外光度法（測量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可吸收波長為4.6微米紅外光這一現(xiàn)象；紫外光度法根據(jù)臭氧對253.7納米波長的紫外光有特征吸收這一原理。總之，是各顯神通。
雖說是主角，我還是任勞任怨的，每小時將反應(yīng)性氣體數(shù)據(jù)以報文的形式發(fā)到國家級業(yè)務(wù)單位，為專家開展環(huán)境評估、《大氣環(huán)境氣象公報》制作等提供素材。
4、紫外輻射分光光譜儀：太陽的忠實“追隨者”
我是一個從國外引進(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儀器。
目前，我國氣象部門使用的紫外輻射分光光譜儀均為國外引進(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，就是陽光中波長為10～400納米的光線，可以分為UVA、UVB、UVC3種，紫外線照射會讓皮膚受到傷害。好在，大氣中的紫外線大部分會被臭氧層擋住。
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，它對紫外線的強(qiáng)烈吸收保護(hù)了地表生物和人類，同時平流層臭氧還是平流層的主要熱源，對地球大氣環(huán)流和地球氣候的形成起著重要作用。
如何測量大氣中臭氧？從上世紀(jì)90年代起， 我被引進(jìn)用于臭氧柱總量的觀測，在拉薩大氣成分站和三個國家大氣本底站——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。
我可以準(zhǔn)確地跟蹤太陽，測量紫外輻射五個波長的光強(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，中國氣象局大氣本底臭氧總量觀測參與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的地面驗證和氣候變化評估，定期報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、高精度的分析系統(tǒng)，是一個高效協(xié)作的團(tuán)隊，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)計算、封裝和上傳，老四監(jiān)控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對三個哥哥進(jìn)行監(jiān)控，保證他們的穩(wěn)定運(yùn)行。
整個團(tuán)隊由中國氣象局工作人員自主組建，自2010年以來一直在全國大氣本底站服役。
我們哥兒幾個向來分工明確，老大打頭陣，將空氣樣品連續(xù)自動采集后，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，對其中的二氧化碳/甲烷/一氧化碳的濃度進(jìn)行測量和校準(zhǔn)。分析（標(biāo)校）系統(tǒng)，也就是我們的老二，有一個核心部件——光腔衰蕩光譜分析儀，其測量原理可簡單理解為：一束激光進(jìn)入一個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。
這兩個成員完成自己的工作后，老三出場，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、封裝和自動上傳至指定終端，一系列工作完成。等等，還需要老四驗收一下工作成果，防止前面幾個大哥犯錯。
別看我們團(tuán)隊功能強(qiáng)大，兄弟眾多，但是，我們并不粗心，我們的測量精度達(dá)到了痕量級別（ppb），數(shù)據(jù)獲取是按秒計算的。毫不夸張地說，吹口氣都能看到儀器信號的火箭式上升。
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》和《中國溫室氣體公報》等重要報告，以及WMO、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、政府間氣候變化專門委員會（IPCC）等多項科學(xué)評估，為國家應(yīng)對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
我們是技術(shù)人員“DIY”的一套分析系統(tǒng)，填補(bǔ)了國內(nèi)市場上此類設(shè)施的空白。氣象探測技術(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，對其進(jìn)行測量和校準(zhǔn)。分析（標(biāo)校）模塊的核心部分是一臺氣相色譜儀，該儀器可以將樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行分離并檢測。這三個成員完成自己的工作后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、封裝和自動上傳至指定終端。
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實時在線分析。我們的分析精度均達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)。
實際上，我們已經(jīng)在全國6個大氣本底站使用了10年，獲得的數(shù)據(jù)每年通過《中國溫室氣體公報》向公眾發(fā)布。
大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警