二氧化碳传感器从空中监控车辆尾气排放

二氧化碳传感器从空中监控车辆尾气排放

CO2Sensors Monitor Vehicle Emissions from Above

二氧化碳（CO2）是地球大气的重要组成部分，是生命不可或缺的一种气体。植物需要CO2进行光合作用，人类和动物呼出的气体中含有CO2，而作为石油等燃料燃烧产生的副产物，工业领域和车辆都会排放CO2。对于科学家来说，CO2在气候变化中的作用已经非常清楚，但是，CO2全年在大气中聚集及扩散的方式、时间，以及原因仍有待进一步研究。

美国国家航空航天局（NASA）下属的戈达德空间飞行中心、喷气推进实验室（JPL）和兰利研究中心等3家研究中心正在开发从太空中研究二氧化碳聚集及扩散问题的仪器。该项目未来或将开发一颗卫星，名为“夜间、白天和季节性的二氧化碳排放监测有源传感卫星”（简称“ASCENDS卫星”）。该项目被美国国家研究理事会列为NASA《地球科学十年规划（2007年）》中最重要的15项任务之一。

兰利研究中心科学理事会大气成分研究分部的研究人员Mike Obland解释说：“兰利研究中心承担了ASCENDS卫星项目的子任务之一，负责开发一种能够在夜间和白天获得CO2排放数据的远程有源传感器。该传感器还能够有效测量太阳照射角很低的地球两极附近的CO2浓度情况，以及有较厚云层覆盖的海洋上空的CO2浓度情况。”

该传感器使用了3台激光器，能够持续向大气层发射激光。3台激光器的波长略有不同，其中一台发射的激光大部分可被CO2吸收，另两台发射的激光大部分会被散射。此外，其还包含一种通过测量光散射量来测定CO2浓度的工具。

兰利研究中心开发的传感器使用的是连续激光，而戈达德空间飞行中心使用的是脉冲激光。利用连续激光获得的数据可与利用脉冲激光探测获得的数据进行比较，因为3台激光器的读数是同时获得的。

目前，虽然ASCENDS卫星受到资金的限制尚未建成，但兰利研究中心和戈达德空间飞行中心仍在继续研究这个项目潜在的应用。Mike Obland说：“在2017年即将制定的下一个十年规划中，可能会重新赋予该卫星项目优先权。但考虑到自2007年开始，多个用于从太空中研究CO2循环的卫星已发射升空，如轨道碳观测卫星-2，因此，在下一个十年规划中，也可能完全取消ASCENDS卫星的开发，仅仅利用已经发射的卫星来开展CO2循环方面的研究。”

即使ASCENDS卫星项目被取消，受参与该项目的一家承包商的影响，该项目的相关技术也将在地球上发挥重要的作用。该承包商与兰利研究中心合作，在2006年～2009年参与了ASCENDS卫星项目的研发工作。

J. Stewart Hager就职的一家名为“大气与环境研究”的咨询公司是NASA兰利研究中心的子承包商。一天午饭时，该公司负责ASCENDS项目的研究团队开展了一次头脑风暴活动，分析ASCENDS项目中的仪器在地球上的用途。J. Stewart Hager说：“我认为，可以用于汽车尾气排放的测量。ASCENDS项目中开发的仪器可以从5m以外分析汽车排放的尾气的成分，省去人们到排放检测站去进行检测。”

▲ 在车辆经过区域安装的EDAR系统

2009年，J. Stewart Hager成立了Hager环境与大气技术（HEAT）公司，基于兰利研究中心为ASCENDS卫星项目开发的工具设计了一种检测CO2和其它废气的监测系统——排放检测与报告（EDAR）系统。该系统采用激光器对二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和总碳氢化合物，以及单体烃如甲烷、乙烷和乙烯等气体的浓度进行检测。与兰利研究中心开发的仪器类似，EDAR系统同时使用了能够被CO2散射和吸收的激光，通过测量返回到EDAR系统的激光量以确定每辆汽车排放的尾气成分。与排放测试站的仪器相比，该系统采用的技术更加先进，显著提高了汽车尾气远程遥感系统的灵敏度和可靠性。

与兰利研究中心为太空飞行开发的仪器相比，EDAR系统的运行速度稍慢，但地面测试结果的准确性相同，且价格更低。该系统安装在交通繁忙区域内的电线杆上，以监测过往的车辆。美国亚利桑那州、康涅狄格州和田纳西州是率先使用EDAR系统的城市。这些城市的管理部门采用EDAR系统查找在城市内运行的尾气排放不符合环保排放标准的车辆。

HEAT公司与加利福尼亚州大气资源委员会正在开展一项合作研究，主要研究重型柴油卡车的排放，以及油气蒸发排放，如从泄露的油箱、松的软管和破裂的管道中泄露的汽油气体等。

部分车主经常仅在需要做定期检查时才在汽车的排气管中安装减排装置。当这种情况发生时，排放监测站的测试结果就不能准确地反映车辆的正常废气排放情况。另外，部分车辆不适用于常规排放测试系统标准，如大众2015年的部分车型。而采用EDAR系统持续进行监测，意味着每辆车都将被测试。

采用EDAR系统检测一辆通过的汽车通常需要1.5min，每个测试结果会生成一幅三维、多光谱图像，以及一幅带有车辆及其尾气排放的二维轮廓图像。该系统还能够识别干扰分子或污染物，并保证其不会影响结果的准确性。J. Stewart Hager说：“如果该项技术能够在全美国范围内应用，达到排放标准的汽车车主将会收到通知，免于参加排放监测站的测试，而不符合标准的车辆则必须进行检查。”

J. Stewart Hager表示：“与NASA的合作使HEAT公司受益颇多。EDAR系统的NASA背景为其提供了信用保证，也为其赢得了潜在的客户。” (唐 甜)