美国研发人员使用激光“梳状”系统感知并研究温室气体

我们的地球大气是各种气体的湍流混合体。其中CO2、NO2和H2O是最值得被关注的，它们的浓度变化导致大气变暖。大气科学家通过评估这些温室气体的浓度以及确定它们的来源，不断地试图掌握它们的“脉搏”。据麦姆斯咨询报道，为了更全面地描绘我们的大气构成，美国科罗拉多州的科学家们从一个不太可能的来源中寻找到了灵感：“梳齿”。

目前测量大气成分的方法是基于光谱学的概念。电磁辐射会激发分子，使它们根据其成分辐射出自己独特的特征。这些“指纹”可以用来确定大气等物质的组成。研究大气成分的科学家通常要么关注一组特定的波长，要么将利用像太阳这样的光源，通过傅里叶变换红外光谱来研究更大范围的波长。然而，这两种技术都还有缺点。

来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的Kevin Cossel表示：“由于可调谐激光器通常只扫描较窄的波长范围，因此它们通常只能测量几种气体。”他继续说道：“另一方面，由于傅里叶变换红外光谱系统测量的光谱范围非常宽，因此它们可以测量大量气体，但是它们通常无法精确测量光谱中的波长值。”这种数量和质量之间的权衡激发了研究团队共同开发一种新技术。

首先，激光源发射出波长为4.5至5微米的中红外光。在这个较大的波长范围内有数十万个“梳齿”——在更宽的输出范围内均匀分布的窄发射线。Cossel解释说：“为了测量温室气体，我们会查看每个波长吸收了多少梳状光。由于每种气体都有独特的吸收峰(吸收光谱)，因此我们可以确定存在哪些气体以及每种气体的含量。”

在测量温室气体的实验中，研究人员将激光穿过国家标准与技术研究院(NIST)广阔的校园，射向一个反射器，然后反射回接收器，沿途会激发气体分子。随着路径长度的增加，仪器的灵敏度随之提高，从而能够检测到温室气体浓度的微小变化。Cossel及其团队可以每两分钟生成一次读数，从而创建一个具有极高时间分辨率的鲁棒数据集。

由于具备能够测量难以检测的气体的能力，激光“梳状”系统是温室气体测量方面的一项重要成就。Cossel说：“在这四种温室气体中，最难测量的温室气体是NO2，这是本论文的主要进展。”与其他温室气体相比，NO2的浓度要小得多，这就是为什么激光器需要较大的中红外输出的重要原因。

“研究团队的最大目标是将系统投入现场并进行更多的测量。”随着Cossel和同事们不断完善他们的测量方法，他们正在为更全面地了解大气层以及它是如何变暖的奠定基础。