美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的研究人員升級(jí)了他們的激光頻率梳儀器，以同時(shí)測(cè)量三種空氣傳播的溫室氣體——一氧化二氮、二氧化碳和水蒸氣——以及主要的空氣污染物臭氧和一氧化碳。

4.5-5µm 光譜區(qū)域提供了許多重要大氣痕量氣體的強(qiáng)振動(dòng)光譜特征，包括溫室氣體 N2O 和 CO2 以及標(biāo)準(zhǔn)空氣污染物 O3 和 CO。而 CO2 也可以用更簡(jiǎn)單的近紅外光譜檢測(cè)雙梳光譜 (dual-comb spectroscopy, DCS) 系統(tǒng)在露天路徑上，三種痕量氣體 N2O、O3 和 CO 在近紅外區(qū)域的橫截面太弱，無法在環(huán)境水平檢測(cè)；在這個(gè) 4.5–5 µm 光譜區(qū)域內(nèi)操作可以檢測(cè)到它們。此外，該光譜區(qū)域的強(qiáng)吸水特征相對(duì)清晰，可進(jìn)行長(zhǎng)距離的開路測(cè)量。

該光譜區(qū)域的現(xiàn)有傳感技術(shù)通常只能測(cè)量一種或兩種物種；然而，多物種檢測(cè)對(duì)于確定來源非常有益。開路傅里葉變換紅外光譜 (OP-FTIR) 可以測(cè)量多種氣體，但光譜分辨率低（通常為 ⪆ 6 GHz）會(huì)導(dǎo)致潛在的偏差問題和非常長(zhǎng)的開放路徑由于非相干光源的發(fā)散，因此具有挑戰(zhàn)性。DCS是一個(gè)有吸引力的平臺(tái)，可以克服這些限制，用于多種大氣物質(zhì)的開放路徑測(cè)量。與 FTIR 一樣，DCS 的寬光譜覆蓋范圍允許同時(shí)量化許多痕量氣體種類以及路徑平均溫度。然而，與 OP-FTIR 儀器相比，DCS 具有更高的光譜分辨率和可忽略不計(jì)的儀器線形，從而能夠以更高的精度進(jìn)行痕量氣體濃度測(cè)量。此外，梳狀激光器發(fā)出明亮的單橫模光束，可以在白天或黑夜進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播，從而能夠在大范圍內(nèi)以高精度連續(xù)觀察氣體濃度和通量。這些百米到公里尺度的開放路徑長(zhǎng)度降低了測(cè)量對(duì)風(fēng)場(chǎng)誤差的敏感性，從而減少了量化逆風(fēng)源排放率時(shí)的誤差。最后，這些路徑長(zhǎng)度與高分辨率（即中尺度和微尺度）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和空氣質(zhì)量模型的網(wǎng)格大小密切匹配，從而減少了模型-測(cè)量表示誤差。

如圖1所示，研究人員在長(zhǎng)度為 600 米和 2 公里的往返路徑上演示了新系統(tǒng)。來自兩個(gè)頻率梳的光在光纖中組合，并從位于科羅拉多州博爾德市 NIST 大樓頂部的望遠(yuǎn)鏡傳輸。一束光束被發(fā)送到位于另一棟建筑物陽臺(tái)上的反射器，第二束光束被發(fā)送到山上的反射器。梳狀光從反射器反射回來，返回到原來的位置進(jìn)行分析，以確定空氣中的氣體。

圖1. a) 開放路徑 DCS 系統(tǒng)和望遠(yuǎn)鏡的示意圖。PM：保偏。EDFA：摻鉺光纖放大器。HNLF：高度非線性光纖。YDFA：摻鐿光纖放大器。PPLN：周期性極化鈮酸鋰。b) 該系統(tǒng)位于科羅拉多州博爾德市 NIST 大樓頂上的一個(gè)房間內(nèi)，光線被發(fā)送到位于約 300 m 外的 NOAA 大樓陽臺(tái)上的后向反射器。或者，第二個(gè)光束路徑將梳狀光發(fā)射到約 1 公里外的反射器。NOAA 大樓的點(diǎn)傳感器還記錄 N2O、CO 和 H2O 的濃度。風(fēng)速和風(fēng)向由位于 NIST 大樓屋頂?shù)?3D 聲波風(fēng)速計(jì)記錄。

該系統(tǒng)足夠精確，可以捕捉所有被測(cè)氣體的大氣水平變化，并與傳統(tǒng)的一氧化碳和一氧化二氮點(diǎn)傳感器的結(jié)果一致。一次檢測(cè)多種氣體的主要優(yōu)勢(shì)是能夠測(cè)量它們之間的相關(guān)性。例如，測(cè)得的二氧化碳與一氧化二氮的比率與其他交通排放研究結(jié)果一致。此外，過量一氧化碳與二氧化碳的比率與類似的城市研究一致，但僅為美國(guó)國(guó)家排放清單 (NEI) 預(yù)測(cè)水平的三分之一左右。這些水平提供了對(duì)汽車等排放源中燃料燃燒效率的衡量。

NIST 的測(cè)量結(jié)果與其他表明空氣中一氧化碳含量低于 NEI 預(yù)測(cè)的研究相呼應(yīng)，為博爾德-丹佛地區(qū)的污染物參考水平或“清單”提供了第一個(gè)硬性數(shù)字。

與 NEI 的比較表明創(chuàng)建庫(kù)存是多么困難，尤其是覆蓋大面積的庫(kù)存，并且將數(shù)據(jù)反饋給庫(kù)存至關(guān)重要。這不會(huì)直接影響大多數(shù)人的日常生活——庫(kù)存只是試圖復(fù)制實(shí)際發(fā)生的事情。然而，為了理解和預(yù)測(cè)空氣質(zhì)量和污染影響，建模者確實(shí)依賴于庫(kù)存，因此庫(kù)存正確至關(guān)重要。

開路雙梳光譜提供高精度的多物種大氣氣體濃度測(cè)量。在這里，開放路徑雙梳光譜擴(kuò)展到中紅外 5 µm 大氣窗口，能夠?qū)χ饕獪厥覛怏w：N2O、CO2 和 H2O 以及標(biāo)準(zhǔn)空氣污染物 O3 和 CO 的大氣濃度進(jìn)行反演，跨越 600米和 2 公里的往返路徑。

研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)新的激光梳儀器。他們計(jì)劃將覆蓋范圍擴(kuò)大到更遠(yuǎn)的距離，正如近紅外系統(tǒng)已經(jīng)證明的那樣。他們還計(jì)劃通過增加光功率和其他調(diào)整來提高檢測(cè)靈敏度，以檢測(cè)額外的氣體。最后，他們正在努力使系統(tǒng)更加緊湊和強(qiáng)大。這些進(jìn)步可能有助于提高對(duì)空氣質(zhì)量的了解，特別是影響臭氧形成的因素的相互作用。