中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心痕量氣體大氣化學(xué)研究組協(xié)同多家單位成功開展了無(wú)人機(jī)大氣立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。這一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)填補(bǔ)了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究盲區(qū)，提升了監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)程度，契合了當(dāng)前大氣污染科學(xué)迫切需要全方位精細(xì)化監(jiān)測(cè)的需求。

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)填補(bǔ)技術(shù)盲區(qū)助力大氣監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度升級(jí)

伴隨著一聲“開始降落”的指令，在河北望都縣農(nóng)村環(huán)境研究站，新研制的無(wú)人機(jī)大氣立體監(jiān)測(cè)裝備完成污染物監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)之后穩(wěn)穩(wěn)落地。

12月中旬，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心痕量氣體大氣化學(xué)研究組協(xié)同多家單位成功開展了無(wú)人機(jī)大氣立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張成龍介紹，這一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首次將低功耗大流量顆粒物采樣技術(shù)、多通道真空氣體采樣技術(shù)與無(wú)人機(jī)技術(shù)結(jié)合，契合了當(dāng)前大氣污染科學(xué)迫切需要全方位精細(xì)化監(jiān)測(cè)的需求。

填補(bǔ)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究盲區(qū)

在對(duì)流層大氣中，大氣污染物多從近地面垂直向上或水平擴(kuò)散，作為大氣化學(xué)反應(yīng)重要驅(qū)動(dòng)力的太陽(yáng)輻射則自上而下傳輸。因此，張成龍認(rèn)為，大氣環(huán)境化學(xué)研究不能只關(guān)注近地面污染，還要關(guān)注一定高度范圍(特別是邊界層)內(nèi)的大氣層結(jié)構(gòu)和成分變化，否則很難全面揭示對(duì)流層實(shí)際的大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

此前已有多種大氣環(huán)境垂直監(jiān)測(cè)方法得到應(yīng)用，如大氣邊界層塔、有人飛機(jī)、氣球及氣艇等。但邊界層塔位置固定，高度通常在300米以下，且多建于城市地區(qū);有人飛機(jī)只能在數(shù)百米及以上的高度飛行;氣球或氣艇抗風(fēng)能力和移動(dòng)性差，需要填充大量氦氣，單次運(yùn)行成本高。這些方法已經(jīng)無(wú)法滿足新時(shí)期大氣污染研究的需求。

“無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和靈活性可以有效彌補(bǔ)上述缺陷，讓原來(lái)不容易接近的地方變得容易到達(dá)，使大氣監(jiān)測(cè)真正做到動(dòng)態(tài)性和立體性?！睆埑升堈f(shuō)，“農(nóng)村地區(qū)不同于城市地區(qū)，它的下墊面多為農(nóng)田和低矮村莊，大氣污染物處于較低大氣層，正好是無(wú)人機(jī)適合飛行和采集樣本的高度?！?/p>

無(wú)人機(jī)大氣立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)村大氣面源污染的深入研究提供重要工具，也為區(qū)域大氣氧化性、大氣光化學(xué)過(guò)程及二次顆粒物形成等深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

精準(zhǔn)化大氣研究工具

記者了解到，在中科院無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成功之前，市場(chǎng)上已經(jīng)有少數(shù)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域并和政府環(huán)境執(zhí)法活動(dòng)展開合作。對(duì)此，為本次無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供無(wú)人機(jī)設(shè)備的華翼天基科技有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)設(shè)備不僅用于環(huán)保，也用于電力、消防等，并不專業(yè)，只是搭載幾種空氣傳感器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決大氣多樣化和精準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)需求?！?/p>

為此，張成龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為提升系統(tǒng)精準(zhǔn)化做出了一系列努力。

在傳感器選擇階段，研發(fā)團(tuán)隊(duì)找到曾對(duì)傳感器精度做了長(zhǎng)期比對(duì)工作的南京信息工程大學(xué)教授龐小兵進(jìn)行取經(jīng)。龐小兵告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，大氣傳感器會(huì)受到大氣溫度、濕度、其他共存成分以及電信號(hào)噪音的干擾，因此要通過(guò)多種技術(shù)手段降低上述因素對(duì)傳感器精度的影響。

最終，他們確定了具有較強(qiáng)抗干擾能力、能在實(shí)際大氣氣體中提取精確信息的低功耗大流量顆粒物采樣器、多通道真空氣體采樣器以及傳感器。傳感器可一次性記錄和傳輸10種參數(shù)，包括顆粒物、PM2.5和PM10等常規(guī)污染物參數(shù)。除此之外，采樣設(shè)備隨無(wú)人機(jī)升空之前，要經(jīng)過(guò)地面標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站的數(shù)據(jù)校準(zhǔn);無(wú)人機(jī)升空之后，還要保證提前計(jì)算設(shè)計(jì)好的采樣器體積、續(xù)航能力等均滿足遠(yuǎn)程控制、GPS三維定點(diǎn)懸停以及收集足夠分量大氣樣品的要求。

該立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)攻克了低功耗大流量顆粒物采樣以及多通道真空氣體采樣等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大氣顆粒態(tài)、氣態(tài)以及液態(tài)等樣品的立體化定點(diǎn)采樣，為大氣污染全方位立體化的精確診斷提供重要的技術(shù)支持。

從無(wú)到有的科研“創(chuàng)業(yè)”

在張成龍看來(lái)，這次無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成功是一次從無(wú)到有的科研“創(chuàng)業(yè)”。沒(méi)有充足的資金來(lái)源，參與研制并提供傳感器、采樣器、無(wú)人機(jī)的企業(yè)也沒(méi)有向他索取任何費(fèi)用，但他們卻向著一個(gè)共同的目標(biāo)努力。

這支由交叉學(xué)科領(lǐng)域的人員臨時(shí)搭建的“夢(mèng)之隊(duì)”，不斷突破技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)大氣采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足的科研要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善。華翼天基相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“為了提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高空收集樣品時(shí)的抗風(fēng)能力和穩(wěn)定性，我們專門為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)?！?/p>

談到無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景，張成龍則認(rèn)為“一千個(gè)人有一千個(gè)想法”。目前也有一些科研單位出于興趣聯(lián)系他們。在立體化精準(zhǔn)化大氣化學(xué)研究工具的應(yīng)用前景之外，他大膽設(shè)想，未來(lái)在火災(zāi)、垃圾焚燒、環(huán)境污染執(zhí)法等應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可以到達(dá)人們無(wú)法接近的地方發(fā)揮更大的作用，希望不同行業(yè)的人看到這個(gè)系統(tǒng)都能對(duì)其應(yīng)用萌生不同的想法。