为什么激光可以监测环境污染

 环境污染是 20 世纪人类生产活动中遇到的一个严重问题，环境的变化会对政治、经济和社会各方面都产生影响。所以世界各国都十分注重环境科学研究和环境保护工作。在这些工作中，准确地监测环境中存在的污染物质以及它们的分布，又是一项非常重要且有意义的事，比如 CO、CO2、NO、O2 和卤化氢等，它们在大气中的含量并不高，但是对人体健康却有很大的影响，而且，这些物质的含量对于气候变化也有影响。据科学家研究分析，在菲律宾发生的火山爆发，喷发出来的灰尘和 SO2 气体对海拔 30 千米上空大气都有影响，发现由于光化学反应过程，二氧化硫会转变成硫酸，硫酸水溶液滴可在大气中保存几年，从而导致地球大气的能量平衡、气候和臭氧层的变化。过去测量大气中污染物质的方法一般都以化学分析为基础，要花比较长的时间才能完成一个地区的测量工作，而且测量灵敏度低，也不能做到实时鉴测。当今，科学家采用激光技术进行环境监测工作。因为用激光可以精确地测出人们周围环境中各种污染物质成分，它们的含量以及在空间的分布，测量灵敏度可达 0.1ppm（百万分之一）；而且对大范围空间的污染物可以一次完成测量，完成的时间比较短，还可以进行实时监测。用激光进行监测的主要方法有激光拉曼散射测量法、激光共振荧光测量法和激光米氏散射法等。使用的测量仪器主要有激光雷达、激光拉曼散射谱仪和激光荧光光谱仪。激光雷达能够以三维图像监视城市大气中的一氧化二氮、二氧化氮、二氧化碳及臭氧分布的二维和三维图像。利用得到的图像人们就可以了解城市环境污染物质的排放和排入情况。为了能够在大范围内快速完成测量工作，也可以把激光雷达放在飞机上。在 1992 年，由欧共体和德国政府资助的欧洲北极平流层臭氧监测实验组，就采用机载激光雷达，通过测量臭氧的密度和气溶胶的背向散率，收集了北极上空 12.5～24.5 千米高度的大气成分分布，发现了极地平流层的云层在极地平流层臭氧的衰减中起了重要作用。利用机载激光雷达可以很灵敏地测量出大气中气溶胶的分布，也能够快速地获得地球界面以内和以上至 4 公里高度上的水蒸气分布情况， 这些测量结果，对于气象研究分析是很有用的。另外，利用激光雷达还可以探测在江河、湖泊和沿海水域中的污染物质。通过测定激光束在穿越大气时被大气污染物质、气溶胶粒团散射回来的光信号（称为回波信号）的退偏振度，也可以鉴定大气污染源。因为，激光束在大气中传播的过程中，与大气污染物质分子、大气中的气溶胶团粒、大气湍流等相互作用，将引起激光束的振幅和相位发生随机变化，所以，在激光回波中包含有待测的大气区域中的各种信息。通过对回波信号的分析，人们就能获得大气中污染物质、大气变化等各种信息。这种工作目前科学家正在研究之中。