二氧化碳傳感器從空中監(jiān)控車輛尾氣排放
二氧化碳是地球大氣的重要組成部分，是生命不可或缺的一種氣體。植物需要CO2進(jìn)行光合作用，人類和動(dòng)物呼出的氣體中含有CO2，而作為石油等燃料燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)物，工業(yè)領(lǐng)域和車輛都會(huì)排放CO2。對(duì)于科學(xué)家來說，CO2在氣候變化中的作用已經(jīng)非常清楚，但是，CO2全年在大氣中聚集及擴(kuò)散的方式、時(shí)間，以及原因有待進(jìn)一步研究。
美國國家航空航天局（NASA）下屬的戈達(dá)德空間飛行中心、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和蘭利研究中心正在開發(fā)從太空中研究二氧化碳聚集及擴(kuò)散問題的儀器。該項(xiàng)目未來或?qū)㈤_發(fā)一顆衛(wèi)星，名為“夜間、白天和季節(jié)性的二氧化碳排放檢測有源傳感衛(wèi)星”（簡稱“ASCENDS衛(wèi)星”）。
蘭利研究中心科學(xué)理事會(huì)大氣成分研究分部的研究人員Mike Obland解釋說：“蘭利研究中心承擔(dān)了ASCENDS衛(wèi)星項(xiàng)目的子任務(wù)之一，負(fù)責(zé)開發(fā)一種能夠在夜間和白天獲得CO2排放數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程有源傳感器。該傳感器還能夠有效測量太陽照射角很低的地球兩極附近的CO2濃度情況，以及有較厚云層覆蓋的海洋上空的CO2濃度情況。”
該傳感器使用了3臺(tái)激光器，能夠持續(xù)向大氣層發(fā)射激光。3臺(tái)激光器的波長略有不同，其中一臺(tái)發(fā)射的激光大部分可被CO2吸收，另兩臺(tái)發(fā)射的激光大部分會(huì)被散射。此外，其還包含一種通過測量光散射量來測定CO2濃度的工具。
蘭利研究中心開發(fā)的傳感器使用的是連續(xù)激光，而戈達(dá)德空間飛行中心使用的是脈沖激光。利用連續(xù)激光獲得的數(shù)據(jù)可與利用脈沖激光探測獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，因?yàn)?臺(tái)激光器的讀數(shù)是同時(shí)獲得的。
2009年，J.Stewart Hager成立了Hager環(huán)境與大氣技術(shù)（HEAT）公司，基于蘭利研究中心為ASCENDS衛(wèi)星項(xiàng)目開發(fā)的工具設(shè)計(jì)了一種CO2和其它廢氣的監(jiān)測系統(tǒng)——排放檢測與報(bào)告（EDAR）系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用激光器對(duì)二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和總碳?xì)浠衔铮约皢误w烴如甲烷、乙烷和乙烯等氣體的濃度進(jìn)行檢測。與蘭利研究中心開發(fā)的儀器類似，EDAR系統(tǒng)同時(shí)使用了能夠被CO2散射和吸收的激光，通過測量返回到EDAR系統(tǒng)的激光量以確定每輛汽車排放的尾氣成分。與排放測試站的儀器相比，該系統(tǒng)采用的技術(shù)更加先進(jìn)，顯著提高了汽車尾氣遠(yuǎn)程遙感系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。
與蘭利研究中心為太空飛行開發(fā)的儀器相比，EDAR系統(tǒng)的運(yùn)行速度稍慢，但地面測試結(jié)果的準(zhǔn)確性相同，且價(jià)格更低。該系統(tǒng)安裝在交通繁忙區(qū)域內(nèi)的電線桿上，以監(jiān)測過往的車輛。美國亞利桑那州、康涅狄格州和田納西州是率先使用EDAR系統(tǒng)的城市。這些城市的管理部門采用EDAR系統(tǒng)查找在城市內(nèi)運(yùn)行的尾氣排放不符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛。
HEAT公司與加利福尼亞州大氣資源委員會(huì)正在開展一項(xiàng)合作研究，主要研究重型柴油卡車的排放，以及油氣蒸發(fā)排放，如從泄露的油箱、松的軟管和破裂的管道中泄露的汽油氣體等。
部分車主經(jīng)常僅在需要做定期檢查時(shí)才在汽車的排氣管中安裝減排裝置。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，排放監(jiān)測站的測試結(jié)果就不能準(zhǔn)確地反映車輛的正常廢氣排放情況。另外，部分車輛不適用于常規(guī)排放測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如大眾2015年的部分車型。而采用EDAR系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，意味著每輛車都將被測試。
采用EDAR系統(tǒng)檢測一輛通過的汽車通常需要1.5min，每個(gè)測試結(jié)果會(huì)生成一幅三維、多光譜圖像，以及一幅帶有車輛及其尾氣排放的二維輪廓圖像。該系統(tǒng)還能夠識(shí)別干擾分子或污染物，并保證其不會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。J.Stewart Hager說：“如果該項(xiàng)技術(shù)能夠在全美國范圍內(nèi)應(yīng)用，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車車主將會(huì)收到通知，免于參加排放監(jiān)測站的測試，而不符合標(biāo)準(zhǔn)的車輛則必須進(jìn)行檢查。”
J．Stewart Hager表示：“與NASA的合作使HEAT公司受益頗多。EDAR系統(tǒng)的 NASA背景為其提供了信用保證，也為其贏得了潛在的客戶。”
