大气颗粒物自动监测仪器的新进展

可吸入颗粒物主要是指粒径在10μm以下的颗粒物。颗粒物的直径越小, 进入呼吸道的部位越深。10μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道, 5μm直径的可进入呼吸道的深部, 2μm以下的可100%深入到细支气管和肺泡。

1 国内PM10自动监测仪

PM10的测定方法是:首先用切割器将大颗粒物分离, 再用重量法或β射线吸收法、压电晶体差频法、光散射等方法测定。国内PM10自动监测仪主要分为两种:β射线法和震荡天平法。

1.1 β射线吸收法[1]

β射线吸收原理:原子核在发生β衰变时, 放出β粒子。β粒子实际上是一种快速带电粒子, 它的穿透能力较强, 当它穿过一定厚度的吸收物质时, 其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。β射线源采用放射源14C, 放射能量在100μCi以下, 半衰期为5730年, 安全可靠。采样时仪器利用抽气泵对大气进行恒流采样, 经PM10切割器切割后, 大气中的PM10颗粒物吸附在β源和盖革计数管之间的滤纸表面, 采样前后盖革计数管计数值的变化反映了滤纸上吸附灰尘的质量变化, 由此可以得到采样空气中PM10的浓度。

1.2 振荡天平法

振荡天平法的测量原理是基于专利技术的锥形元件振荡微量天平原理。此锥形元件于其自然频率下振荡, 振荡频率由振荡器件的物理特性、参加振荡的滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量决定。仪器通过采样泵和质量流量计, 使环境空气以一恒定的流量通过采样滤膜, 颗粒物则沉积在滤膜上。测量出一定间隔时间前后的两个振荡频率, 就能计算出在这一段时间里收集在滤膜上颗粒物的质量, 再除以流过滤膜的空气的总体积, 得到这段时间内空气中颗粒物的平均浓度。

比较这两种监测仪器, β射线法和震荡天平法虽然都具有各自的很多优点, 但这两种仪器在实际测量时均会受到温度、湿度的影响。如遇极端天气 (降雨、大雾等) 测量结果均会出现一定的偏差。

2 激光雷达

近年来, 激光雷达在环境监测方面的应用得到了迅速的发展, 与传统的PM10测量方法比较, 激光散射测量法在实现动态立体连续监测上具有明显的优势, 并且能够测量更细小的气溶胶颗粒。

激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物[2], 它以激光为光源, 通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。激光雷达遥感大气的物理基础是激光辐射与大气分子和气溶胶粒子之间的相互作用产生的各种物理过程, 激光雷达的发射系统发出的光遇到气溶胶颗粒物发生相互作用, 穿过大气的光强度减弱, 散射光的强弱与总散射截面成正比 (散射截面越大, 散射越强;反之, 散射就越弱) 。激光雷达的探测系统接收到后向散射回波信号, 利用合适的反演方法从后向散射回波信号中提取出气溶胶颗粒物的后向散射系数和消光系数, 从而了解颗粒物的光学特性。当气溶胶颗粒物浓度升高时, 气溶胶颗粒物的总散射截面增大, 散射光增强, 通过测量散射光的强弱, 即可得到气溶血颗粒物的相关信息。激光雷达以主动方式遥感大气, 通过分析反演其回波信号可以对局地大气环境提供实时连续的动态监测。

激光雷达是一种新型的大气气溶胶探测手段, 为我们提供了强有力的监测工具。近年来, 激光技术、信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在对流层气溶胶的探测高度、垂直跨度、空间分辨率、时间上的连续监测、测量精度等方面具有全面的优势, 是其它探测手段很难比拟的。

激光雷达技术在环境监测中的应用在国际上受到了相当的重视。美国、德国、英国、加拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统, 并在环境监测中发挥着重要的作用。

国外激光雷达在环境监测中的发展动态。

(1) 大气污染和环境监测工作中, 地基固定式和车载激光雷达有布点成网趋势;机载激光雷达在发达国家开始部署;一系列空间激光雷达计划已开始执行。

(2) 测量对象以SO2、NOx、O3、气溶胶、有机气体为主。探测方法以高灵敏度的差分吸收 (DIAL) 和Mie后向散射方法为主。

(3) 激光雷达使用的激光器, 一直以灯泵YAG、准分子、染料激光器为主。现在的发展趋势是使用半导体激光器泵浦的全固化激光器, 使用掺钛宝石 (Ti:Al2O3) 、LiSAF (Cr:LiSr AlF6) 和LiCAF等新型可调谐固体激光器, 利用KTP、BBO等非线性晶体使激光波长向紫外波激光雷达光源的最佳候选者。另外, 它们运行更可靠, 操作维护更简便。

国内的多家省、市都建立了大气环境监测的空间立体站, 逐步开展了组合式地基遥感大气激光雷达在线探测系统的应用。例如济南市在2009年底安装了组合式地基遥感大气激光雷达在线探测系统, 激光雷达系统与地面空气监测站自动监测系统联合应用形成天地一体化监测系统, 能反演出城市或区域PM2.5地面到高空的三维浓度场, 实现对城市和区域灰霾和沙尘暴污染定量化监测。

随着激光雷达相关科学的发展和科技的进步, 激光雷达在探测的空间范围、物质种类、时间持续等方面将有巨大的发展潜力, 激光雷达将朝着更加精细化和定量化的方向发展。这一技术在不久的将来会得到更加广泛的应用, 它在环境监测方面将会扮演不可替代的重要角色。

摘要：本文介绍了国内现有的大气环境中可吸入颗粒物的自动监测仪器和监测方法;介绍了激光雷达在可吸入颗粒物监测中的应用和国内外激光雷达在环境监测中的发展。

关键词：可吸入颗粒物,监测仪器,激光雷达

参考文献

[1] 杨书申.大气颗粒浓度物检测技术及其发展[J].北京工业职业技术学院学报, 2005, 4 (1) :37～39.

[2] 尹青, 何金海, 等.激光雷达在气象和大气环境监测中的应用[J].气象与环境学报, 2009, 25 (5) :49～50.