發布日期：2022-01 點擊量：176
工農業生產、化石燃料燃燒、機動車尾氣排放等人類活動產生的過量溫室氣體加劇了全球氣候變暖，研究和發展適用于不同空間、時間尺度的溫室氣體精確、快速、動態檢測技術是環境氣候研究的基礎和前提?；诠庾V學原理的氣體檢測技術，具有非接觸、快響應、高靈敏、大范圍監測等優點，是目前溫室氣體監測技術的主流研究方向。針對當前溫室氣體點源、面源、區域、全球等尺度下的監測需求，綜合利用多種形式的光譜學測量手段，開展地面探測、地基探測、機載探測和星載探測四種典型光學觀測，獲取溫室氣體空間分布、季節變化和年變化的特征和趨勢，這對理解區域碳排放、掌握源匯信息、研究環境氣候變化規律等具有重要意義。
2021年8月，聯合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）公布了第六次氣候變遷評估報告（IPCC-AR6），指出工業革命后，過多的溫室氣體排放已對地球環境造成了嚴重危害。報告顯示，由于溫室效應的影響，與工業化前的氣溫記錄相比，目前全球平均升溫估計為1.1℃，在未來20年內，全球升溫或將超過1.5℃。全球升溫1.5℃時，熱浪將增加，暖季將延長，而冷季將縮短，進而對自然生態系統產生嚴重影響，如異常氣候頻發、海平面升高、冰川退縮、凍土融化、中高緯生長季節延長、動植物分布范圍向極區和高海拔區延伸等等。
京都議定書中規定控制的6種溫室氣體為：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6），其中后三種氣體造成溫室效應的能力最強，但從對全球升溫的貢獻百分比來說，CO2、CH4和N2O三大主要溫室氣體所占的比例最大，它們對全球變暖的總體貢獻占到77%，濃度也呈現出逐年升高的趨勢，如表1所示。大氣中的CO2是三大主要溫室氣體中濃度最高的一種，也是對溫室效應貢獻最大的氣體，在大氣中滯留的時間為50~200年。大氣中CH4和N2O的濃度雖然遠小于CO2，但其增溫潛勢分別是CO2的21倍和310倍。大氣中CO2、CH4和N2O三種組分是目前溫室氣體監測的主要對象，也是當前世界各國控制減排的主要溫室氣體組分。
大氣中CO2、CH4、N2O三大溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段，其中近紅外波段波長在0.78－2.5μm范圍，對應于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長位于2.5－25μm范圍，對應于氣體分子的“基頻”吸收譜帶，吸收強度要明顯高于近紅外波段，適用于超低濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測。針對目前溫室氣體多目標場景監測需求，研究人員開展了不同形式的探測方法研究，主要包括地面探測、地基探測、機載探測和星載探測，綜合運用各種吸收光譜技術和儀器，通過掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜，經過光電信號轉換、光譜信號采集、濃度算法解析、軟件數據處理等技術過程，能夠實現溫室氣體多組分高靈敏時空分辨觀測。
3.1 地面探測
在人為溫室氣體排放中，地面點源排放占比最高。典型的點源排放主要包括火電、鋼鐵、石化、化工等重點行業固定點源及高架點源等工業點源排放。此外，城市也是二氧化碳排放的主要來源，包括地面交通、城市餐飲集中區等典型城市點源排放，廢棄物處理行業的廢棄物填埋場和污水處理過程點源排放，以及農林畜牧養殖業點源排放等。
溫室氣體排放監測對于評估溫室氣體排放水平，推動溫室氣體減排具有重要意義，國際上很多國家都相繼制定了溫室氣體測定的相關標準或法規。我國溫室氣體光譜學監測技術經過近二十年的發展取得了長足的進步，探測手段、研發投入、應用產出等都有了較大的提升，并逐漸形成了天地一體化監測體系，地基遙感探測和衛星遙感探測方面的一些研究成果也達到了國際先進水平，但是目前一些溫室氣體高端分析儀器仍落后于西方發達國家，核心部件“卡脖子”現象頻現，因此亟待推動監測技術的創新優化和國產儀器的更新迭代。未來，在碳達峰、碳中和以及環境污染防治等國家戰略推動下，基于光譜學原理的氣體檢測技術和儀器將在溫室氣體大氣背景監測、生態通量監測、碳柱及廓線監測等方面發揮重要作用，相關的分析儀器也將朝著國產化、小型化、智能化等方向發展。
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