本刊編譯整理

　　面對日益加劇的氣候變化，人類社會亟需實時監(jiān)測并解析全球溫室氣體的各類排放源與吸收匯。當前的重點任務之一是對人為甲烷排放進行監(jiān)管與監(jiān)測。由弗勞恩霍夫激光技術研究所研發(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（LIDAR）的核心組件，這類系統(tǒng)能以極高的時空分辨率精準測定大氣中的溫室氣體——即便在遠距離條件下也能實現(xiàn)全球范圍的連續(xù)監(jiān)測。

　　2024年的夏天是有記錄以來最熱的夏天。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。盡管甲烷是如何進入大氣層的已基本清楚，但通常并不清楚它是在何時何地以何種程度進入大氣層的。因此，精確記錄和監(jiān)測大氣中溫室氣體的濃度非常重要。迄今為止，只能通過被動方式測量來自太空的甲烷，即通過這種氣體在大氣中吸收的陽光來測量。然后可以根據(jù)吸收情況計算出濃度。不過，這種方法只能在白天使用，而且精確度有限。

　　另外，激光雷達系統(tǒng)可以直接測定甲烷濃度。激光雷達系統(tǒng)使用兩個波長在1645nm左右的激光，使測量不受外部因素（如地球表面強烈波動的反射率）的影響。為此，它測量大氣對甲烷吸收最大和最小波長的光吸收。通過比較測量值，可以計算出測量路徑上空氣柱中的甲烷濃度。

　　利用直升機進行激光雷達測量

　　激光雷達技術是一種成熟的方法，可用于調查和確定管道排放的甲烷在當?shù)氐臐舛龋禾烊粴庵屑s有85%的甲烷；因此，勘探或運輸過程中的每一次泄漏都是甲烷的來源。這種泄漏不僅會對氣候造成危害，還會帶來嚴重的爆炸危險，這也是運營商檢查管道、壓縮機站和其他設施是否有甲烷泄漏的原因。為此，Adlares公司采用了CHARM（甲烷機載遠程監(jiān)控）技術，該技術可在直升機飛越管道上空時測量甲烷濃度。

　　直升機的飛行速度可達180公里/小時，飛行高度為100至150米，由于其每秒1000個測量點的高測量速率，在風速高達24公里/小時的情況下可記錄150升/小時的泄漏率。激光雷達系統(tǒng)的光束源由弗勞恩霍夫激光技術研究所的團隊開發(fā)。第二代CHARM系統(tǒng)包含兩個二極管泵浦Nd:YAG激光器，線寬特別窄。Adlares提供的光學參量振蕩器可將激光波長從1μm 左右轉換到3.3μm的中紅外波長。

　　在此期間，直升機不僅利用激光雷達系統(tǒng)飛行了數(shù)萬公里的管道，還檢查了垃圾填埋場、廢水處理廠、煤礦和農(nóng)場的排放物。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至可以測量一頭牛的排放量。

　　利用衛(wèi)星繪制地球大氣層地圖

　　用直升機可以快速檢查個別設施，但這種方法成本太高，而且速度太慢，無法在全球范圍內尋找甲烷來源。例如，當永久凍土融化時，它會在大片區(qū)域內釋放出低濃度的甲烷。

　　因此，德國和法國航天局幾年前就計劃執(zhí)行MERLIN任務（甲烷遙感激光雷達任務）。這顆衛(wèi)星將從大約500公里的高空測量地球大氣層中的甲烷濃度并繪制地圖。衛(wèi)星上將搭載一臺激光雷達儀器，其激光束源來自弗勞恩霍夫激光技術研究所。MERLIN任務激光雷達儀器的技術是由德國工業(yè)公司和研究機構聯(lián)合設計和開發(fā)的。位于德國奧伯法芬霍芬的德國航天中心大氣物理研究所（IPA）激光雷達部負責其科學工作。

　　多年來，弗勞恩霍夫國際激光技術研究所一直在為德國航空航天中心（DLR）、空中客車防務與航天公司、TESAT Spacecom和歐洲航天局等合作伙伴開發(fā)這種符合太空標準的激光系統(tǒng)技術。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。以這種方式制造的部件可以承受發(fā)射和在太空中運行的壓力和應變。

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

　　以免污染高純度鏡面。當然，激光器還必須在三年以上的任務期間免維護、無退化地運行。

　　激光雷達：未來的技術

　　歐空局認為激光雷達系統(tǒng)是一項重要的未來技術，在進一步開發(fā)全球天氣模型方面具有巨大潛力：首先，激光雷達系統(tǒng)可以極大地改善天氣預報，特別是在災害管理方面。隨著氣候變化引起的極端天氣增多，對早期預警和快速行動的需求也在增加。

　　其次，隨著可再生能源的擴大，對當?shù)仫L況和日照時數(shù)的準確預報需求也在增加。不穩(wěn)定電源的比例越高，對電網(wǎng)基礎設施進行精心管理和控制就變得越重要。通過這種方式，激光雷達系統(tǒng)和弗勞恩霍夫國際技術研究所的研究正在支持歐洲實現(xiàn)凈零排放，即到2050年實現(xiàn)溫室氣體排放的平衡。

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