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，新研制的無人機(jī)大氣立體監(jiān)測裝備完成污染物監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)之后穩(wěn)穩(wěn)落地。

　　12月中旬，中國科學(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人機(jī)大氣立體監(jiān)測系統(tǒng)實驗。據(jù)項目負(fù)責(zé)人張成龍介紹，這一監(jiān)測系統(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)測的需求。

　　填補(bǔ)大氣環(huán)境監(jiān)測和研究盲區(qū)

　　在對流層大氣中，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)動力的太陽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流層實際的大氣化學(xué)反應(yīng)過程。

　　此前已有多種大氣環(huán)境垂直監(jiān)測方法得到應(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)能力和移動性差，需要填充大量氦氣，單次運行成本高。這些方法已經(jīng)無法滿足新時期大氣污染研究的需求。

　　“無人機(jī)的機(jī)動性和靈活性可以有效彌補(bǔ)上述缺陷，讓原來不容易接近的地方變得容易到達(dá)，使大氣監(jiān)測真正做到動態(tài)性和立體性。”張成龍說，“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，正好是無人機(jī)適合飛行和采集樣本的高度?！?p>　　無人機(jī)大氣立體監(jiān)測系統(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，在中科院無人機(jī)大氣監(jiān)測系統(tǒng)實驗成功之前，市場上已經(jīng)有少數(shù)無人機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域并和政府環(huán)境執(zhí)法活動展開合作。對此，為本次無人機(jī)大氣監(jiān)測系統(tǒng)提供無人機(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：“市場上的無人機(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)測需求。”

　　為此，張成龍帶領(lǐng)團(tuán)隊為提升系統(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)隊找到曾對傳感器精度做了長期比對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《中國科學(xué)報》記者，大氣傳感器會受到大氣溫度、濕度、其他共存成分以及電信號噪音的干擾，因此要通過多種技術(shù)手段降低上述因素對傳感器精度的影響。

　　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)備隨無人機(jī)升空之前，要經(jīng)過地面標(biāo)準(zhǔn)臺站的數(shù)據(jù)校準(zhǔn);無人機(jī)升空之后，還要保證提前計算設(shè)計好的采樣器體積、續(xù)航能力等均滿足遠(yuǎn)程控制、GPS三維定點懸停以及收集足夠分量大氣樣品的要求。

　　該立體監(jiān)測系統(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。

　　從無到有的科研“創(chuàng)業(yè)”

　　在張成龍看來，這次無人機(jī)大氣監(jiān)測系統(tǒng)的實驗成功是一次從無到有的科研“創(chuàng)業(yè)”。沒有充足的資金來源，參與研制并提供傳感器、采樣器、無人機(jī)的企業(yè)也沒有向他索取任何費用，但他們卻向著一個共同的目標(biāo)努力。

　　這支由交叉學(xué)科領(lǐng)域的人員臨時搭建的“夢之隊”，不斷突破技術(shù)難點，根據(jù)大氣采集監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足的科研要求對產(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)測系統(tǒng)在高空收集樣品時的抗風(fēng)能力和穩(wěn)定性，我們專門為無人機(jī)設(shè)計了氣動外形結(jié)構(gòu)。”

　　談到無人機(jī)大氣監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景，張成龍則認(rèn)為“一千個人有一千個想法”。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，未來在火災(zāi)、垃圾焚燒、環(huán)境污染執(zhí)法等應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，無人機(jī)可以到達(dá)人們無法接近的地方發(fā)揮更大的作用，希望不同行業(yè)的人看到這個系統(tǒng)都能對其應(yīng)用萌生不同的想法。