NIST开发的设备能够探测甲烷、二氧化碳和臭氧。

激光通过两条往返路径从科罗拉多州博尔德市的NIST大楼射出（箭头），一条路径射到一座大楼阳台上的反射器上，另一条路径射到附近山上的反射器上

在严重遭受温室气体排放威胁的世界里，对温室气体的测量可能会令人感到特别棘手。你可能需要捕获空气样本，或者需要使样本强行通过一个分析器。况且，许多这样的技术一次只能测量一种温室气体或一种污染物。

然而，激光提供了另一种方法。追踪单个化合物的激光光谱技术已经存在几十年了，但是美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发了一个可以同时测量四种温室气体（甲烷、二氧化碳、水蒸气和一氧化二氮）的系统。

参与该项目的NIST研究员凯文 · 科塞尔（Kevin Cossel）说：“这是一套精致而强大的设备，可以得到非常高的光谱分辨率。”

这套设备背后的技术是光频梳，它帮助科学家赢得了2005年诺贝尔物理学奖。在本质上，光频梳是以特定的、均匀间隔的频率发射激光的一种工具。正如光谱图上描绘的那样，这些频段看起来像一把梳子，因而得名“光频梳”。事实上，光频梳极其精确，这是它的一大优势。 基于光频梳的扫描技术依赖于双梳装置——利用两个不同频率的光频梳，观察两者的干扰模式，其中不包含任何复杂的光栅或移动部件。

好几年以来，NIST一直在利用光频梳实现测量目标。最初，NIST的研究人员将激光梳调到近红外波长，大约1.6微米。这样，研究人员能够观察到甲烷、水蒸气、二氧化碳之类的气体。

这个系统还有另一个关键特征：它是开放式的。当光频梳被调到不被大气特性吸收的频率，它们的激光可以持续一千米的距离，并可以观察到这段距离内的一切。观测温室气体排放时，并不是从单一的点位开始，可以设置一个网格来观察某个指定区域的排放。

这还意味着，可以将这些测量结果与较大规模的气体排放模型所产生的结果进行比较。科塞尔说：“如果你正在这个开放的路径上进行测量，那么你就已经与模型的网格大小相匹配了。因此，为了得到真正高分辨率的观测数据，模型可能会利用边长为数百米或一千米的网格来观察目标成分的散布情况和空气质量。因此，在某种程度上你要与之相匹配。”

该系统最初的重点之一是测量甲烷，甲烷比二氧化碳更有可能导致全球变暖。燃烧化石燃料（尤其是石油和天然气）会释放甲烷，大规模的农业也会释放甲烷，其中最有名的就是牛羊等反刍动物的打嗝和胃肠胀气排放。因此，NIST研究小组将这项技术带到这一领域，实际上就是测量布满奶牛的场地上所产生的排放。现在，这一技术广泛用于这个领域，同时也用于检测气体泄漏。

然而，甲烷只是温室气体中的一部分。NIST的研究人员认为：如果他们能够将光频梳的波长延长，使其深入到红外领域，接近5微米，这样能够进一步开放路径，那么他们就可以检测到一些其他气体。研究人员成功地测试了这个装置，并在《激光与光电子评论》杂志上发表了他们的研究成果。

除了二氧化碳、甲烷和水蒸气之外，现在NIST的光频梳系统还可以测量一氧化二氮以及臭氧和一氧化碳，后两种常见的空气污染物在拥有大量汽车的地方特别普遍。科塞尔说：“现在，我们正在努力使其成为一个更有效的系统。”

既然已证明这项技术是有效的，科塞尔希望该技术可以用来研究城市空气质量和野火的影响，研究来自交通和农业的一氧化二氮排放。他认为，我们对这种排放还没有充分了解。

资料来源 IEEE Spectrum