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监测大气量化污染物,机器人也是环保高手

2020年07月26日 来源:http://www.ltdyqu.com

监测大气量化污染物,机器人也是环保高手

田野机器人配上感测器可以透过观测地球和大气层来监测影响气候变化的气体。

深入土壤的监测

这款拥有 3 个大轮子、不会陷入泥土里的 Field Flux 机器人可以用放置在它手臂上的採样器,监测土壤中少量的一氧化二氮(N₂O)含量,完成监测环境污染的工作。

儘管人们更熟悉二氧化碳在气候变化中的影响,但其实 N₂O 使全球变暖的潜力比二氧化碳高 300 倍。换句话说,一分子 N₂O 的破坏能力与 300 分子的 CO₂ 相当。

来自挪威大学生命科学院的微生物生态学家 Lars Bakken 教授说:「对 N₂O 排放的量化有一个巨大困难在于,其数值会因为时间和地点的不同而产生巨大变化。」目前,Bakken 教授正在与挪威一家名叫 Adigo 的公司合作,为 NORA 计画尝试找到一个监测土壤中 N₂O 排放量的方法,并降低其排放。

教授表示:「这也是我们为什幺要做田野机器人的原因。如果你想要在一片试验田中量化 N₂O 的排放量,你必须在一块地上反覆不断地测量。」

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图为 Field Flux 机器人样机。

使用田野机器人可以大大提升工作效率,一个本来需要 27 个小时手工检测的土地只需要 1 小时就能完成测试。这种方法在控制 N₂O 方面非常重要,因为它使得农民可以在必要时进行翻土工作。在土壤没有较好地暴露在空气中时(比如下大雨或者土壤非常紧实时),一些土壤中的微生物(多数是细菌)就会使用氮氧化物而不是氧化物来进行呼吸,进而产生 N₂O。但是还有少量细菌可以进行 N₂O 的呼吸作用来吸收掉,因为它们有一种特殊的酶──N₂O 还原酶。NORA 计画的研究员们发现,这种酶会因土壤的酸性过大或土壤中铜离子的不足而消失。

挪威大学生命学院的另一位教授,同时也是 Marie Skłodowska─Curie Actions 计画的合作者 Asa Frostegard 说:「我们探究了这些微生物的生物活动,研究它们产生 N₂O 的生化过程。结果表明,不同微生物之间的作用方式有着很大差别。」

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这些研究结果或许可以帮助农民透过改变土壤酸性或土壤铜离子的含量来减少 N₂O 污染。这就意味着,我们可以在耕作中使用富含铁镁的岩石或矿物质来中和土壤酸性,而不是使用传统的、会导致 N₂O 污染的撒石灰方法。

冲上云霄的观测

监测进入大气层的颗粒(名为气胶)的工作也一样艰鉅。欧盟 Marie Skłodowska─Curie Actions 创建、德国科隆大学领导的 ITaRS 计画,正在使用飞行器搭载的远程感测器结合地面测量技术来监测云层何时可能形成降水。ITaRS 计画中负责雷射雷达和微波辐射计方面的专家 Maria Barrera 说:「大气层模型中一个主要的不确定性,在于大气层中云层和气胶质的相互作用方式。我们甚至不知道云层形成的细节。」

云的形成需要颗粒,比如灰尘或水汽做为凝结核,地面和空中监测技术精确度的提升为研究者提供更新的数据,使得他们更好地理解大气环境。比如,风暴的形成需要怎样的条件?是如何形成的?Barrera 说:「我的测量方法可以应用在天气预报的数据同化过程中。你得到大气状态的反馈,透过模型计算,就可以得到预测结果。」

有了 ITaRS 计画发明的这项技术,研究者们就可以回答一些关于大气层事件的科学问题了。比如说,在什幺湿度、压力、凝结核的条件下,云层可以形成降雨?在被动微波感测器和雷达技术的帮助下,对这个问题的回答变得更加科学了。

ITaRS 计画提供的数据不仅能够增强我们对大气层行为的理解,还可以帮助我们减少气候预测模型中的不确定性,这使得我们能够更好的理解气候变化的过程。

 
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