大气氨激光开路分析仪：革新氨气通量监测的利器

在大气环境研究、农业生态监测以及工业排放控制领域，氨气（NH₃）的精确监测始终是一个重大挑战。氨气不仅是大气中最重要的碱性气体，也在二次气溶胶颗粒物生成中扮演着关键角色，是引发霾污染和过量氮沉降的重要因素。

传统的闭路吸入式氨分析仪因采样管路的吸附效应，响应速度慢，测量精度受限。且此类分析仪依赖高功耗真空泵集气，极大限制了监测范围和应用场景。

近年来，激光开路检测技术的出现，特别是与涡动相关法的结合，正彻底改变这一局面，为大气氨浓度、通量监测带来了革命性的进步。

一、激光开路氨分析仪的技术突破

激光开路氨分析仪采用可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，其核心优势在于开放式的光路结构：仪器采用开路式多次反射气体池，使测量有效光程达数十米，实现了对大气氨浓度的高频响应。这种设计避免了传统闭路仪器中采样管路的吸附效应，响应速度极快，尤其适合车载平台在运动中捕捉瞬时浓度变化，有效避免对于氨排放源的漏检和误判。

值得一提的是，这种开路分析仪无需采样泵，依靠大气的自然流动经过光路分析，功耗显著降低（通常仅50W左右），质量也较轻，可使用小型车载电源或电池供电，甚至结合太阳能电池板、蓄电池实现在无电网覆盖区域长期部署。

二、涡动相关法：通量计算的黄金标准

涡动相关法（Eddy Covariance）是目前测量地气氨交换通量的理想方法。该方法通过同步测量垂直风速和目标气体浓度的瞬时波动，提供最直接的生态系统与大气之间物质和能量的交换通量。

激光开路氨分析仪的高频浓度分析特性（10Hz采样频率），使之非常适合于微气象涡动相关测量技术。结合通量观测系统，研究人员能够准确定量不同生态系统和大气间氨的净交换通量。

野外测试结果表明，基于激光开路原理和涡动相关法的氨通量观测系统，其半小时氨通量检测限可达7.1 ± 1.1 μg N m⁻² h⁻¹。这一灵敏度使得该系统既能准确测量农田、养殖场等强排放源的氨排放通量，也能适用于测量大多数区域的大气氨沉降速率。

三、实战应用：从农田到工业场景

1. 农业生态监测

中科院大气物理研究所碳氮循环团队与宁波海尔欣光电科技有限公司合作，将HT8700型开路氨分析仪应用于亚热带稻田的氨通量监测。研究团队成功观测到施肥期间大气氨浓度和氨排放通量的显著变化，为农业氮循环研究提供了宝贵数据。

2. 工业排放监测

在工业场景中，大气氨激光开路分析仪的快速响应特性（毫秒级）使其成为移动走航监测的理想工具。当搭载于移动监测车辆平台，该仪器能够实现对排口、工艺段乃至厂区的大气氨浓度进行高时空分辨率的动态测绘。

在污染源溯源方面，分析仪也发挥着关键作用。通过羽流反演技术，研究人员能够精确识别和量化间歇性、分散的氨排放源。其工作原理是：移动平台穿越污染羽流时，仪器实时记录氨浓度的峰值分布，结合气象数据（风速、风向），通过反演算法，可准确计算出污染源的排放强度。

3. 多环境适用性验证

荷兰应用科学院（TNO）和荷兰国家公共卫生与环境研究所（RIVM）的联合研究团队进行了一项富有启发性的田野对比实验。他们将Healthy Photon HT8700E大气氨激光开路分析仪（基于涡动相关法）与另一款基于梯度法的激光气体分析仪进行了对比研究。

图片来源：《Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods》文章

结果表明，在无障碍均匀地形条件下，两者的测量结果高度相似，相关系数达0.87，累计通量差异仅约10%。这一研究不仅验证了激光开路氨分析仪的可靠性，也证明了其在不同环境条件下的适用性。

四、持续创新与未来展望

激光开路氨检测技术仍在不断演进。早期的开路分析仪在复杂条件下的稳定性不足，且光学镜面涂层可能存在退化问题。针对这些挑战，新一代产品已经进行了多项改进：

•自动清洁系统：使用清洗和喷气功能清除镜面灰尘，免除手动清理。

•增强镜面涂层：采用全新的镜面涂层技术，增强耐腐蚀性。

•降雨传感：增设降雨识别芯片，对降雨期间的数据进行特殊标注。

•镜片加热：开发加热系统，防止低温下镜片积水雾，保证反射效率。

这些改进显著提升了仪器在野外环境中的长期观测能力，使分析结果更精准、更可靠。

开启大气氨监测新篇章

激光开路氨分析技术结合涡动相关法，以其高精度、快响应、低功耗和强环境适应性的优势，正在成为氨气通量监测的黄金标准。它不仅为科研人员提供了更强大的工具，深入探索氮循环的奥秘，也为环保监管和工业排放控制提供了可靠的技术支持。

随着技术的不断成熟和应用场景的拓展，激光开路氨分析仪无疑将在全球氨排放监测、环境污染治理和气候变化研究中发挥越来越重要的作用，为守护蓝天白云和构建可持续的生态环境贡献重要力量。