美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的研究人員升級了他們的激光頻率梳儀器，以同時測量三種空氣傳播的溫室氣體——一氧化二氮、二氧化碳和水蒸氣——以及主要的空氣污染物臭氧和一氧化碳。

4.5-5µm 光譜區(qū)域提供了許多重要大氣痕量氣體的強振動光譜特征，包括溫室氣體 N2O 和 CO2 以及標(biāo)準(zhǔn)空氣污染物 O3 和 CO。而 CO2 也可以用更簡單的近紅外光譜檢測雙梳光譜 (dual-comb spectroscopy, DCS) 系統(tǒng)在露天路徑上，三種痕量氣體 N2O、O3 和 CO 在近紅外區(qū)域的橫截面太弱，無法在環(huán)境水平檢測；在這個 4.5–5 µm 光譜區(qū)域內(nèi)操作可以檢測到它們。此外，該光譜區(qū)域的強吸水特征相對清晰，可進(jìn)行長距離的開路測量。

該光譜區(qū)域的現(xiàn)有傳感技術(shù)通常只能測量一種或兩種物種；然而，多物種檢測對于確定來源非常有益。開路傅里葉變換紅外光譜 (OP-FTIR) 可以測量多種氣體，但光譜分辨率低（通常為 ⪆ 6 GHz）會導(dǎo)致潛在的偏差問題和非常長的開放路徑由于非相干光源的發(fā)散，因此具有挑戰(zhàn)性。DCS是一個有吸引力的平臺，可以克服這些限制，用于多種大氣物質(zhì)的開放路徑測量。與 FTIR 一樣，DCS 的寬光譜覆蓋范圍允許同時量化許多痕量氣體種類以及路徑平均溫度。然而，與 OP-FTIR 儀器相比，DCS 具有更高的光譜分辨率和可忽略不計的儀器線形，從而能夠以更高的精度進(jìn)行痕量氣體濃度測量。此外，梳狀激光器發(fā)出明亮的單橫模光束，可以在白天或黑夜進(jìn)行長距離傳播，從而能夠在大范圍內(nèi)以高精度連續(xù)觀察氣體濃度和通量。這些百米到公里尺度的開放路徑長度降低了測量對風(fēng)場誤差的敏感性，從而減少了量化逆風(fēng)源排放率時的誤差。最后，這些路徑長度與高分辨率（即中尺度和微尺度）數(shù)值天氣預(yù)報和空氣質(zhì)量模型的網(wǎng)格大小密切匹配，從而減少了模型-測量表示誤差。

如圖1所示，研究人員在長度為 600 米和 2 公里的往返路徑上演示了新系統(tǒng)。來自兩個頻率梳的光在光纖中組合，并從位于科羅拉多州博爾德市 NIST 大樓頂部的望遠(yuǎn)鏡傳輸。一束光束被發(fā)送到位于另一棟建筑物陽臺上的反射器，第二束光束被發(fā)送到山上的反射器。梳狀光從反射器反射回來，返回到原來的位置進(jìn)行分析，以確定空氣中的氣體。

圖1. a) 開放路徑 DCS 系統(tǒng)和望遠(yuǎn)鏡的示意圖。PM：保偏。EDFA：摻鉺光纖放大器。HNLF：高度非線性光纖。YDFA：摻鐿光纖放大器。PPLN：周期性極化鈮酸鋰。b) 該系統(tǒng)位于科羅拉多州博爾德市 NIST 大樓頂上的一個房間內(nèi)，光線被發(fā)送到位于約 300 m 外的 NOAA 大樓陽臺上的后向反射器。或者，第二個光束路徑將梳狀光發(fā)射到約 1 公里外的反射器。NOAA 大樓的點傳感器還記錄 N2O、CO 和 H2O 的濃度。風(fēng)速和風(fēng)向由位于 NIST 大樓屋頂?shù)?3D 聲波風(fēng)速計記錄。

該系統(tǒng)足夠精確，可以捕捉所有被測氣體的大氣水平變化，并與傳統(tǒng)的一氧化碳和一氧化二氮點傳感器的結(jié)果一致。一次檢測多種氣體的主要優(yōu)勢是能夠測量它們之間的相關(guān)性。例如，測得的二氧化碳與一氧化二氮的比率與其他交通排放研究結(jié)果一致。此外，過量一氧化碳與二氧化碳的比率與類似的城市研究一致，但僅為美國國家排放清單 (NEI) 預(yù)測水平的三分之一左右。這些水平提供了對汽車等排放源中燃料燃燒效率的衡量。

NIST 的測量結(jié)果與其他表明空氣中一氧化碳含量低于 NEI 預(yù)測的研究相呼應(yīng)，為博爾德-丹佛地區(qū)的污染物參考水平或“清單”提供了第一個硬性數(shù)字。

與 NEI 的比較表明創(chuàng)建庫存是多么困難，尤其是覆蓋大面積的庫存，并且將數(shù)據(jù)反饋給庫存至關(guān)重要。這不會直接影響大多數(shù)人的日常生活——庫存只是試圖復(fù)制實際發(fā)生的事情。然而，為了理解和預(yù)測空氣質(zhì)量和污染影響，建模者確實依賴于庫存，因此庫存正確至關(guān)重要。

開路雙梳光譜提供高精度的多物種大氣氣體濃度測量。在這里，開放路徑雙梳光譜擴(kuò)展到中紅外 5 µm 大氣窗口，能夠?qū)χ饕獪厥覛怏w：N2O、CO2 和 H2O 以及標(biāo)準(zhǔn)空氣污染物 O3 和 CO 的大氣濃度進(jìn)行反演，跨越 600米和 2 公里的往返路徑。

研究人員計劃進(jìn)一步改進(jìn)新的激光梳儀器。他們計劃將覆蓋范圍擴(kuò)大到更遠(yuǎn)的距離，正如近紅外系統(tǒng)已經(jīng)證明的那樣。他們還計劃通過增加光功率和其他調(diào)整來提高檢測靈敏度，以檢測額外的氣體。最后，他們正在努力使系統(tǒng)更加緊湊和強大。這些進(jìn)步可能有助于提高對空氣質(zhì)量的了解，特別是影響臭氧形成的因素的相互作用。