最新檢測技術應對全球氣候變暖

政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）在其2007年度的情況報告中報道說：全球性的氣候變暖速度已經(jīng)明顯加快，全球的氣溫和水溫上的升趨勢非常明顯，南北地區(qū)的冰川和冰層一直在不斷的融化，海平面不斷提高。對于導致氣候變化的原因，一致的意見是：大氣層中的溫室氣體是大氣變暖的主要因素。

太陽不斷地在向地球發(fā)送著能量，根據(jù)能量平衡，地球也必須向太空發(fā)送同等的能量。但由于地球比太陽的溫度要低的多，因此它對外輻射的能量波長要比太陽的長，尤其是在紅外線波段內(nèi)的波長。地球的大氣層隔絕了大部分熱能的散發(fā)，并把這些熱能反射到地球表面。這種現(xiàn)象被稱之為溫室效應；此外，人類的活動，尤其是古生物能源石油的消耗和大量森林資源的消耗，都大大地提高了溫室氣體在大氣層中的濃度。這樣一來，地球吸收的太陽能越來越多，從而加強了溫室效應，使得全球的氣候不斷變暖。

全球氣候變暖的現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴重，探索相對應的解決方案需要全世界的工程師和科學家們共同努力合作。而探索出來的最終結果需要依靠原來一直沒有公布的、由成千上萬分布在世界各地的檢測儀器提供的大量可靠數(shù)據(jù)來進行分析。

人們早已認識到氣候的變化對于地球上每一種生物的生存都是至關重要的，于是早就努力制定并尋找監(jiān)控和降低溫室氣體排放量的措施和技術方法。在1997年簽訂的京都議定書中，就制定了減少溫室氣體排放的計劃：到2012年時全球溫室氣體排放量應減少到1990年的水平。京都議定書中規(guī)定的、被大氣環(huán)境委員會確認的溫室氣體為：CO2、N2O、CH4、SF6（圖1）。

精確跟蹤并監(jiān)督溫室效應氣體的實際排放是京都議定書的核心，如果不能直接測量實際溫室效應氣體的排放，使用基于動態(tài)的功率消耗來替代測量和計算也是很有效的方法。不管在哪種情況中，實測數(shù)據(jù)的可用性和可靠性都隨著越來越多制度的實施和經(jīng)濟影響的產(chǎn)生而變得越來越重要。

隨著政府和工業(yè)界在努力減少溫室效應氣體的排放，科學界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機理、生態(tài)互動以及全球變暖的影響，并對它們進行建模。像這些復雜的系統(tǒng)需要十分精細的模型和仿真、大量超級計算機資源以及盡可能精確的基準數(shù)據(jù)。例如，嵌入式網(wǎng)絡傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動態(tài)交換過程（圖2）。CO2的特性之一是它會增強溫室效應，因為它能夠吸收紅外（IR）區(qū)域的光線。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學濾波器和紅外探測器的光譜傳感器上。將濾波器調節(jié)到被CO2所吸收的紅外線波長，紅外探測器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入或4~20 mA電流輸入。

在傳感器使用方面，越來越多的人使用環(huán)保技術型的傳感器來替代傳統(tǒng)工業(yè)上應用的傳感器產(chǎn)品，例如使用SDI-12系列接口的CO2探測器。此外，許多如CO2探測器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個接口可以把傳感器通過一個簡易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數(shù)據(jù)與氣體流速的測量結果結合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實際CO2的流量。其他CompactRIO系統(tǒng)測量在土壤表面下多個位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統(tǒng)的分組使用了無線網(wǎng)絡，從而可以同時采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，對正在研究的區(qū)域進行特征提取，將數(shù)據(jù)通過無線特性節(jié)點或WLAN網(wǎng)絡周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫。

ConpacteRIO全球環(huán)境大氣監(jiān)控系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開發(fā)的，用于美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡NEON；這是一個橫跨美洲大陸的研究項目，也是由美國NSF國家科學基金會資助的一個研發(fā)項目。國家生態(tài)觀測網(wǎng)的監(jiān)測站利用儀器設備對CO2的交換情況進行檢測，提供其他氣體在在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學和微生物特性。數(shù)據(jù)將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區(qū)的科學家進行共享。目前，ComactRIO監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在哥斯達黎加雨林中的La Selva生物觀測站中使用了。它在那里構成了一個多用戶的生態(tài)數(shù)據(jù)中心：科學家們能夠把CompactRIO與傳感器連接為一體，構成一個熱帶雨林開展科學研究和試驗的試驗系統(tǒng)。另外，CompacteRIO系統(tǒng)也將在山脈自然保護區(qū)James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護站中使用。(end)