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,，全仰仗兩個捕集阱，它們可以把空氣中的氮氣,、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,，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，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)測零點每隔一段時間就會漂移,，需要技術(shù)人員定期進行標(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,?？傊歉黠@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,。所以，一旦我出現(xiàn)故障,，維護起來比較困難,。
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,，它對紫外線的強烈吸收保護了地表生物和人類,，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。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)作的團隊,，成員有——進樣系統(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)對三個哥哥進行監(jiān)控,，保證他們的穩(wěn)定運行,。
整個團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,。
別看我們團隊功能強大，兄弟眾多,，但是,，我們并不粗心,，我們的測量精度達到了痕量級別（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,，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。
我們團隊中,，樣品采集和預(yù)處理模塊將采集后的空氣樣品進行過濾和除水,，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行控制,，以滿足后續(xù)模塊運行的要求,；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。
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