研究人员开发了一种基于激光的系统，可用于重要大气气体的空中测量，具有前所未有的精度和分辨率。收集这些数据的能力将有助于科学家更好地了解这些大气气体如何影响气候，并有助于改善气候变化预测。

【资料图】

德国国际航空航天，能源和运输研究中心DeutschesZentrumfürLuft-und Raumfahrt eV(DLR)的研究人员在光学学会期刊Applied Optics中描述了他们的激光雷达仪器如何在飞机上使用以同时获得第一个测量大气对流层顶区域水汽和臭氧的垂直结构。研究人员表示，新系统甚至可用于监测太空中的大气气体。

对流层顶将天气发生的地表对流层与上层平流层隔开，后者包含保护地球上生命的臭氧层免受有害辐射。科学家们希望研究对流层顶中的水汽和臭氧，因为这一层中的这些大气气体的分布在地球气候中起着至关重要的作用。

“检测水蒸气和臭氧垂直结构的能力对于了解对流层与平流层之间这些大气气体的交换至关重要，”负责该研究小组的Andreas Fix说。“这些测量可以帮助我们识别气候模型中的错误和不确定性，这有助于改善对未来气候的预测，这是我们社会和经济的核心挑战之一。”

获得3D视角

可以使用飞入大气的仪器或从卫星获取的数据评估大气中的气体。然而，这些方法无法提供大气气体分布的全貌，因为它们要么缺乏垂直分量，要么不能提供足够高的分辨率。虽然带有气球的仪器(称为气球探测仪)可以提供高度分辨的垂直剖面，但它们不提供详细的时间分辨率，只能在选定的地点使用。

为了解决这些问题，研究人员开发了一种激光雷达系统，该系统使用激光同时测量臭氧和水蒸气。他们的方法称为差分吸收激光雷达(DIAL)，使用两种略微不同的紫外波长来测量每种气体。一个波长的UV辐射主要被气体分子吸收，而大部分其他波长被反射。测量从大气返回的UV信号的比率允许计算详细的气体分布。

使用新的激光雷达系统产生的气体剖面显示出约250米的垂直分辨率和飞机飞行轨道下方约10公里的水平分辨率。

“这种垂直能力在研究对流层顶的交换过程方面取得了重大进展，”Fix说。“它有助于克服在解决精细规模分布方面的重大缺陷，这使得难以理解在对流层顶进行交换的过程。”

实现能源效率

为了在飞机上执行这种方法，研究人员使用了他们之前开发的高效光学参量振荡器(OPO)，将激光输出转换为测量水蒸气和臭氧所需的紫外波长。“转换需要非常节能，以产生具有足够脉冲能量的UV辐射和来自飞机上可用有限能量的高平均功率，”Fix解释说。

新激光雷达系统的测试表明，它的精确度与气球探测器的精度相匹配。2017年，研究人员在波浪驱动的等熵交换(WISE)任务中驾驶新系统，该任务涉及北大西洋和北欧的多次远程飞行。他们发现该仪器工作非常好，在使用过程中保持稳定，可以测量对流层顶的特征臭氧和水蒸气分布。

研究人员计划分析在WISE期间获得的新垂直分量数据并将其整合到气候模型中。他们希望使用该仪器收集未来航班上的大气气体数据。