監測大氣量化污染物,機器人也是環保高手

作者 | 發布日期 2016 年 11 月 28 日 15:00 | 分類 機器人 , 環境科學
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田野機器人配上感測器可以透過觀測地球和大氣層來監測影響氣候變化的氣體。



深入土壤的監測

這款擁有 3 個大輪子、不會陷入泥土裡的 Field Flux 機器人可以用放置在它手臂上的採樣器,監測土壤中少量的一氧化二氮(N₂O)含量,完成監測環境污染的工作。

儘管人們更熟悉二氧化碳在氣候變化中的影響,但其實 N₂O 使全球變暖的潛力比二氧化碳高 300 倍。換句話說,一分子 N₂O 的破壞能力與 300 分子的 CO₂ 相當。

來自挪威大學生命科學院的微生物生態學家 Lars Bakken 教授說:「對 N₂O 排放的量化有一個巨大困難在於,其數值會因為時間和地點的不同而產生巨大變化。」目前,Bakken 教授正在與挪威一家名叫 Adigo 的公司合作,為 NORA 計畫嘗試找到一個監測土壤中 N₂O 排放量的方法,並降低其排放。

教授表示:「這也是我們為什麼要做田野機器人的原因。如果你想要在一片試驗田中量化 N₂O 的排放量,你必須在一塊地上反覆不斷地測量。」

雷鋒網配圖

▲ 圖為 Field Flux 機器人樣機。(Source:NORA)

使用田野機器人可以大大提升工作效率,一個本來需要 27 個小時手工檢測的土地只需要 1 小時就能完成測試。這種方法在控制 N₂O 方面非常重要,因為它使得農民可以在必要時進行翻土工作。在土壤沒有較好地暴露在空氣中時(比如下大雨或者土壤非常緊實時),一些土壤中的微生物(多數是細菌)就會使用氮氧化物而不是氧化物來進行呼吸,進而產生 N₂O。但是還有少量細菌可以進行 N₂O 的呼吸作用來吸收掉,因為它們有一種特殊的酶──N₂O 還原酶。NORA 計畫的研究員們發現,這種酶會因土壤的酸性過大或土壤中銅離子的不足而消失。

挪威大學生命學院的另一位教授,同時也是 Marie Skłodowska─Curie Actions 計畫的合作者 Asa Frostegard 說:「我們探究了這些微生物的生物活動,研究它們產生 N₂O 的生化過程。結果表明,不同微生物之間的作用方式有著很大差別。」

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(Source:ADIGO

這些研究結果或許可以幫助農民透過改變土壤酸性或土壤銅離子的含量來減少 N₂O 污染。這就意味著,我們可以在耕作中使用富含鐵鎂的岩石或礦物質來中和土壤酸性,而不是使用傳統的、會導致 N₂O 污染的撒石灰方法。

衝上雲霄的觀測

監測進入大氣層的顆粒(名為氣膠)的工作也一樣艱鉅。歐盟 Marie Skłodowska─Curie Actions 創建、德國科隆大學領導的 ITaRS 計畫,正在使用飛行器搭載的遠程感測器結合地面測量技術來監測雲層何時可能形成降水。ITaRS 計畫中負責雷射雷達和微波輻射計方面的專家 Maria Barrera 說:「大氣層模型中一個主要的不確定性,在於大氣層中雲層和氣膠質的相互作用方式。我們甚至不知道雲層形成的細節。」

雲的形成需要顆粒,比如灰塵或水汽做為凝結核,地面和空中監測技術精確度的提升為研究者提供更新的數據,使得他們更好地理解大氣環境。比如,風暴的形成需要怎樣的條件?是如何形成的?Barrera 說:「我的測量方法可以應用在天氣預報的數據同化過程中。你得到大氣狀態的反饋,透過模型計算,就可以得到預測結果。」

有了 ITaRS 計畫發明的這項技術,研究者們就可以回答一些關於大氣層事件的科學問題了。比如說,在什麼濕度、壓力、凝結核的條件下,雲層可以形成降雨?在被動微波感測器和雷達技術的幫助下,對這個問題的回答變得更加科學了。

ITaRS 計畫提供的數據不僅能夠增強我們對大氣層行為的理解,還可以幫助我們減少氣候預測模型中的不確定性,這使得我們能夠更好的理解氣候變化的過程。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:ADIGO) 

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