那些“高精尖”的大气成分探测仪

　　近年来，随着时下人们对大气环境质量和美丽生态环境的要求慢慢的升高，气溶胶、PM2.5、温室气体、雾-霾、臭氧等成为高频词，备受公众关注。当然，它们也是大气成分科研的重要课题。

　　这些似乎看不见摸不着的大气成分，是怎么探测到的？技术人员用了哪些高精尖的设备？今天，让我们一探究竟。

　　我是贝塔射线法气溶胶质量浓度观测仪，从2014年开始大规模服务于气象部门。贝塔射线法是目前国内外通用的气溶胶质量浓度在线观测方法之一（其他的还有光散射法、振荡微天平法），也是目前我国环境气象监测采样最多的方法。大家要是去上甸子大气本底站，就能够正常的看到那个高大帅气的我啦。

　　别看我块头大，其实我的“心”极为精细。大气中0.01到100微米之间气溶胶粒子，我都“拦”得住，不仅如此，我还可以对它们的质量进行分析。

　　根据气溶胶对贝塔射线的吸收特性，我用“体内”的抽气泵选取有代表性的大气样本，将其中的气溶胶粒子“拦截”后，用贝塔射线源对这些粒子进行照射，通过一系列分析照射前后贝塔射线的衰减程度来计算气溶胶粒子质量变化。由此，得到采样空气中气溶胶的质量浓度。

　　气溶胶粒径不一，如何测量不同粒径的质量浓度？这就需要选用不同的进气口切割头，如总悬浮颗粒物（TSP）、粒径在10微米以下的颗粒物（PM10）、PM2.5以及PM1，针对不同的气溶胶粒子，我会用不同的切割头来对付它。

　　近些年来，随着时下人们对生态环境的要求慢慢的升高，气溶胶监测数据用途愈来愈普遍，环境评价、模式预报等不能离开我的监测数据。

　　据我所知，目前，中国气象局的《大气环境气象公报》《中国气候平均状态随时间的变化蓝皮书》以及霾时、霾等级产品制作都有我的数据支撑。

　　我的英文名字叫做Medusa，就是希腊神话里那个一头波浪卷发的女妖，大概是因为我的线太多，和Medusa外形看上去很像吧。但是，我可不是一个可怕的妖怪，相反，我是一套“神奇”的大气成分分析系统。说神奇，因为我是中国气象局科研人员通过国际合作在实验室“纯手工”打造的，且目前在市场上还无法购买。

　　我的核心是用200余个零件“拼装”的样品预处理系统，特别是手工填充了两个特殊材质的捕集阱，可以在零下180℃到100℃间急速变温，把需要测量的气体从空气中分离出来。我采用了号称“万能检测器”的气相色谱-质谱联用仪，这样就可以精确测定分离后的气体的含量。

　　我的神奇之处在于强大的功能，可以分析大气中的50余种浓度极低的气体，包括引起气候变暖的4类含氟温室气体（氢氟碳化物HFC、全氟化碳PFC、六氟化硫SF6、三氟化氮NF3）以及引起臭氧损耗的6类消耗臭氧层物质（氯氟碳化物CFC、氢氯氟碳化物HCFC、哈龙Halon、甲基氯仿CH3CCl3、四氯化碳CCl4、甲基溴CH3Br）。

　　我最神奇之处还在于可以检测到大气中ppt（万亿分之一）量级的痕量物种，且误差不超过1%。万亿分之一是什么概念？打个比方，就像在100倍地球人口中（一万亿人），精确地找到需要的那一个人，描述其身高体重，误差不超过1公分、1公斤。

　　我能做到这一点，全仰仗两个捕集阱，它们能把空气中的氮气、氧气、氩、二氧化碳从样品中去除，仅留下含氟温室气体和消耗臭氧层物质进入气相色谱-质谱联用仪分析，这样避免了干扰物质的影响，大幅度的提升了分析的精度。

　　近年来，由我分析获得的含氟温室气体及消耗臭氧层物质数据已用在《中国温室气体公报》和联合国《臭氧损耗评估报告》等重要报告中，为评估气候平均状态随时间的变化和臭氧损耗等重要的全球环境问题提供了宝贵的基础数据。其中，系统分析获得的北京上甸子本底站3种含氟温室气体和7种消耗臭氧层物质的本底浓度每年通过《中国温室气体公报》向公众发布。

　　大气成分中有一个“活跃家族”（氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等），它们喜欢且容易与大气家族中其他成员发生反应，这个活跃家族也称为反应性气体。

　　它们化学反应活性较强，到处刷存在感，尤其喜欢“插足”污染气溶胶、酸雨及光化学烟雾等环境问题的反应过程，在较快的大气化学反应（通常是氧化反应）后“72变”，有的转化为其他成分，有的从此在大气家族中消失。

　　答案是有的——那就是我，一个来自美国的反应性气体监测仪，看似简单，颜值普通甚至有些古板，但是，在环境气象观测站点，却是主角之一。

　　正因为总把自己当主角，在主角光环笼罩下，我非常容易就“飘飘然”——监测零点每隔一段时间就会漂移，需要技术人员定时进行标定。而且，我有些挑剔，只测量气体，所以，技术人员要采取一些手段来防止颗粒物进入我的肚子里，那就是给我戴上口罩，还需要定期更换哟。

　　我是如何监测反应性气体的？多采用化学发光法（测量NOx）、紫外荧光法（测量SO2）、气体滤光相关分析法（测量CO）、紫外光度法（测量O3）。化学发光法是利用NO分子和O3反应之后所产生特征光的强度与NO浓度线性成比例这一特性；紫外荧光法是利用SO2与被它激发出来的紫外荧光光强成线性关系这一规律；气体滤光相关分析法的工作原理是根据CO可吸收波长为4.6微米红外光这一现象；紫外光度法根据臭氧对253.7纳米波长的紫外光有特征吸收这一原理。总之，是各显神通。

　　虽说是主角，我还是任劳任怨的，每小时将反应性气体数据以报文的形式发到国家级业务单位，为专家开展环境评估、《大气环境气象公报》制作等提供素材。

　　我是一个从国外引进的精密仪器，也是世界气象组织推荐使用的臭氧柱总量观测仪器。

　　目前，我国气象部门使用的紫外辐射分光光谱仪均为国外引进。所以，一旦我发生故障，维护起来比较困难。

　　紫外线我们都不陌生，就是阳光中波长为10～400纳米的光线，可大致分为UVA、UVB、UVC3种，紫外线照射会让皮肤受到伤害。好在，大气中的紫外线大部分会被臭氧层挡住。

　　别看臭氧在大气中的含量很少，但作用极大。大气臭氧大多分布在在平流层，它对紫外线的强烈吸收保护了地表生物和人类，同时平流层臭氧还是平流层的主要热源，对地球大气环流和地球气候的形成起着重要作用。

　　如何测量大气中臭氧？从上世纪90年代起， 我被引进用于臭氧柱总量的观测，在大气成分站和三个国家大气本底站——瓦里关、龙凤山、临安开展基于紫外辐射分光光谱仪的臭氧柱总量观测。

　　我可以准确地跟踪太阳，测量紫外辐射五个波长的光强。不仅如此，还可以基于差分吸收的原理反演大气臭氧柱总量、臭氧垂直廓线浓度。

　　目前，中国气象局大气本底臭氧总量观测参与卫星观测数据的地面验证和气候平均状态随时间的变化评估，定期报送世界臭氧和紫外辐射资料中心（WOUDC），应用于WMO每4年一次的平流层臭氧损耗评估。

　　我们是一套全自动、高精度的分析系统，是一个高效协作的团队，成员有——进样系统、分析（标校）系统、数据处理系统、监控系统。老大进样系统负责样品采集和预处理，老二分析（标校）系统负责样品准确分析，老三数据处理系统负责数据计算、封装和上传，老四监控系统则负责对三个哥哥进行监控，保证他们的稳定运行。

　　整个团队由中国气象局工作人员自主组建，自2010年以来一直在全国大气本底站服役。

　　我们哥儿几个向来分工明确，老大打头阵，将空气样品连续自动采集后，通过过滤器过滤掉颗粒物，再经过除水装置除去水分，从而得到“干净和干燥的空气”。老二在拿到老大送来的空气样品后，对其中的二氧化碳/甲烷/一氧化碳的浓度做测量和校准。分析（标校）系统，也就是我们的老二，有一个核心部件——光腔衰荡光谱分析仪，其测量原理可简单理解为：一束激光进入一个含有空气样品的空屋子内，在墙壁上来回反射而形成振荡，通过记录该束激光的衰减过程得出屋内气体浓度的变化。

　　这两个成员完成自己的工作后，老三出场，将数据来进行分类、封装和自动上传至指定终端，一系列工作完成。等等，还需要老四验收一下工作成果，防止前面几个大哥犯错。

　　别看我们团队功能强大，兄弟众多，但是，我们并不粗心，我们的测量精度达到了痕量级别（ppb），数据获取是按秒计算的。毫不夸张地说，吹口气都能看到仪器信号的火箭式上升。

　　多年来，我们兄弟齐心协力，也作出了不少贡献，我们的数据（部分）用于《WMO温室气体公报》和《中国温室气体公报》等重要报告，以及WMO、联合国环境规划署（UNEP）、政府间气候平均状态随时间的变化专门委员会（IPCC）等多项科学评估，为国家应对气候变化工作提供了一定借鉴，让我们觉得特别有面子。

　　我们是技术人员“DIY”的一套分析系统，填补了国内市场上此类设施的空白。气象探测技术人员将样品采集和预处理模块、压力和流量控制模块、分析（标校）模块、数据处理模块等组合后，成就了现在的我们。

　　我们团队中，样品采集和预处理模块将采集后的空气样品进行过滤和除水，获得干洁空气样品；压力和流量控制模块负责对采集和预处理模块中气体的压力和流量来控制，以满足后续模块运行的要求；分析（标校）模块接收样品采集和预处理模块送来的干洁空气样品后，对其做测量和校准。分析（标校）模块的核心部分是一台气相色谱仪，该仪器可以将样品中的待测物质进行分离并检测。这三个成员完成自己的工作后，数据处理系统会将数据来进行分类、封装和自动上传至指定终端。

　　别看我们是DIY，功能一点也不逊色，可以在一定程度上完成甲烷/一氧化碳/氧化亚氮/六氟化硫四种温室气体的全自动实时在线分析。我们的分析精度均达到了国际标准。

　　实际上，我们已在全国6个大气本底站使用了10年，获得的数据每年通过《中国温室气体公报》向公众发布。