本刊編譯整理

　　面對(duì)日益加劇的氣候變化，人類社會(huì)亟需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并解析全球溫室氣體的各類排放源與吸收匯。當(dāng)前的重點(diǎn)任務(wù)之一是對(duì)人為甲烷排放進(jìn)行監(jiān)管與監(jiān)測(cè)。由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研發(fā)的激光系統(tǒng)為此提供了創(chuàng)新解決方案：作為激光雷達(dá)（LIDAR）的核心組件，這類系統(tǒng)能以極高的時(shí)空分辨率精準(zhǔn)測(cè)定大氣中的溫室氣體——即便在遠(yuǎn)距離條件下也能實(shí)現(xiàn)全球范圍的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

　　2024年的夏天是有記錄以來(lái)最熱的夏天。造成全球變暖的原因是大氣中的氣體排放，主要是甲烷和二氧化碳。作為一種溫室氣體，甲烷的活性是二氧化碳的25倍以上。盡管甲烷是如何進(jìn)入大氣層的已基本清楚，但通常并不清楚它是在何時(shí)何地以何種程度進(jìn)入大氣層的。因此，精確記錄和監(jiān)測(cè)大氣中溫室氣體的濃度非常重要。迄今為止，只能通過(guò)被動(dòng)方式測(cè)量來(lái)自太空的甲烷，即通過(guò)這種氣體在大氣中吸收的陽(yáng)光來(lái)測(cè)量。然后可以根據(jù)吸收情況計(jì)算出濃度。不過(guò)，這種方法只能在白天使用，而且精確度有限。

　　另外，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以直接測(cè)定甲烷濃度。激光雷達(dá)系統(tǒng)使用兩個(gè)波長(zhǎng)在1645nm左右的激光，使測(cè)量不受外部因素（如地球表面強(qiáng)烈波動(dòng)的反射率）的影響。為此，它測(cè)量大氣對(duì)甲烷吸收最大和最小波長(zhǎng)的光吸收。通過(guò)比較測(cè)量值，可以計(jì)算出測(cè)量路徑上空氣柱中的甲烷濃度。

　　利用直升機(jī)進(jìn)行激光雷達(dá)測(cè)量

　　激光雷達(dá)技術(shù)是一種成熟的方法，可用于調(diào)查和確定管道排放的甲烷在當(dāng)?shù)氐臐舛龋禾烊粴庵屑s有85%的甲烷；因此，勘探或運(yùn)輸過(guò)程中的每一次泄漏都是甲烷的來(lái)源。這種泄漏不僅會(huì)對(duì)氣候造成危害，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的爆炸危險(xiǎn)，這也是運(yùn)營(yíng)商檢查管道、壓縮機(jī)站和其他設(shè)施是否有甲烷泄漏的原因。為此，Adlares公司采用了CHARM（甲烷機(jī)載遠(yuǎn)程監(jiān)控）技術(shù)，該技術(shù)可在直升機(jī)飛越管道上空時(shí)測(cè)量甲烷濃度。

　　直升機(jī)的飛行速度可達(dá)180公里/小時(shí)，飛行高度為100至150米，由于其每秒1000個(gè)測(cè)量點(diǎn)的高測(cè)量速率，在風(fēng)速高達(dá)24公里/小時(shí)的情況下可記錄150升/小時(shí)的泄漏率。激光雷達(dá)系統(tǒng)的光束源由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的團(tuán)隊(duì)開發(fā)。第二代CHARM系統(tǒng)包含兩個(gè)二極管泵浦Nd:YAG激光器，線寬特別窄。Adlares提供的光學(xué)參量振蕩器可將激光波長(zhǎng)從1μm 左右轉(zhuǎn)換到3.3μm的中紅外波長(zhǎng)。

　　在此期間，直升機(jī)不僅利用激光雷達(dá)系統(tǒng)飛行了數(shù)萬(wàn)公里的管道，還檢查了垃圾填埋場(chǎng)、廢水處理廠、煤礦和農(nóng)場(chǎng)的排放物。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至可以測(cè)量一頭牛的排放量。

　　利用衛(wèi)星繪制地球大氣層地圖

　　用直升機(jī)可以快速檢查個(gè)別設(shè)施，但這種方法成本太高，而且速度太慢，無(wú)法在全球范圍內(nèi)尋找甲烷來(lái)源。例如，當(dāng)永久凍土融化時(shí)，它會(huì)在大片區(qū)域內(nèi)釋放出低濃度的甲烷。

　　因此，德國(guó)和法國(guó)航天局幾年前就計(jì)劃執(zhí)行MERLIN任務(wù)（甲烷遙感激光雷達(dá)任務(wù)）。這顆衛(wèi)星將從大約500公里的高空測(cè)量地球大氣層中的甲烷濃度并繪制地圖。衛(wèi)星上將搭載一臺(tái)激光雷達(dá)儀器，其激光束源來(lái)自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所。MERLIN任務(wù)激光雷達(dá)儀器的技術(shù)是由德國(guó)工業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合設(shè)計(jì)和開發(fā)的。位于德國(guó)奧伯法芬霍芬的德國(guó)航天中心大氣物理研究所（IPA）激光雷達(dá)部負(fù)責(zé)其科學(xué)工作。

　　多年來(lái)，弗勞恩霍夫國(guó)際激光技術(shù)研究所一直在為德國(guó)航空航天中心（DLR）、空中客車防務(wù)與航天公司、TESAT Spacecom和歐洲航天局等合作伙伴開發(fā)這種符合太空標(biāo)準(zhǔn)的激光系統(tǒng)技術(shù)。這家位于亞琛的研究所現(xiàn)已為此開發(fā)出一套完整的制造技術(shù)。以這種方式制造的部件可以承受發(fā)射和在太空中運(yùn)行的壓力和應(yīng)變。

　　激光雷達(dá)系統(tǒng)核心的激光器，必須能夠承受高達(dá)300g的沖擊和高達(dá)25g的振動(dòng)，以及從 -30℃到+50℃的交變熱負(fù)荷。開發(fā)人員還必須盡可能避免使用粘合劑等有機(jī)材料，

　　以免污染高純度鏡面。當(dāng)然，激光器還必須在三年以上的任務(wù)期間免維護(hù)、無(wú)退化地運(yùn)行。

　　激光雷達(dá)：未來(lái)的技術(shù)

　　歐空局認(rèn)為激光雷達(dá)系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的未來(lái)技術(shù)，在進(jìn)一步開發(fā)全球天氣模型方面具有巨大潛力：首先，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以極大地改善天氣預(yù)報(bào)，特別是在災(zāi)害管理方面。隨著氣候變化引起的極端天氣增多，對(duì)早期預(yù)警和快速行動(dòng)的需求也在增加。

　　其次，隨著可再生能源的擴(kuò)大，對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況和日照時(shí)數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)需求也在增加。不穩(wěn)定電源的比例越高，對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行精心管理和控制就變得越重要。通過(guò)這種方式，激光雷達(dá)系統(tǒng)和弗勞恩霍夫國(guó)際技術(shù)研究所的研究正在支持歐洲實(shí)現(xiàn)凈零排放，即到2050年實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放的平衡。

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