給大氣做“CT”
一
2022年2月，北京。舉世矚目的第二十四屆冬奧會正在舉行。天空湛藍，空氣清凈。來自世界各國和地區(qū)的運動員沐浴在陽光下，激情滿懷地走向賽場。
與此同時，一支不被人注意的隊伍正行進在冬奧會的賽場周邊。這支隊伍依托經(jīng)過特殊改裝的監(jiān)測車日夜走航監(jiān)測賽場。在這之前，經(jīng)過近三個月的連續(xù)監(jiān)測后，他們已經(jīng)向北京冬奧組委提交了比賽期間大氣情況分析及應(yīng)對策略。
帶領(lǐng)這支隊伍的，是一位叫劉文清的科學(xué)家。那段日子里，六十八歲的劉文清每天審讀數(shù)據(jù)，并開展大氣痕量物質(zhì)計算。對每一個數(shù)據(jù)、每一個結(jié)論，他都慎之又慎。
這不是劉文清第一次接到這樣的重大任務(wù)。
2008年中國首次舉辦夏季奧運會，劉文清接到通知：由他率領(lǐng)的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測團隊承擔(dān)奧運會大氣監(jiān)測任務(wù)。要知道，那時候，中國的大氣環(huán)境監(jiān)測正處于艱難的爬坡階段。承擔(dān)這樣的重大任務(wù)，劉文清心里很忐忑。他深知：對于他和他的團隊來說，這次機會，必須展示出中國環(huán)境光學(xué)監(jiān)測的水平，開創(chuàng)中國環(huán)境光學(xué)監(jiān)測的新天地。
那一次，劉文清團隊在北京待了六個月。日夜加強觀測，很多年輕隊員都累得不行，每天晚上，他卻仍堅持跟蹤分析。“今天的數(shù)據(jù)出來，對明天的治理就有影響。所以，一刻也不能拖。”
2008年北京奧運會，劉文清獲得“奧運會科技貢獻獎”，其成果獲得“奧運科技成果獎”。
十四年后，劉文清的團隊再次被選中。這一次，他們已經(jīng)底氣十足：團隊所攜帶的設(shè)備更科學(xué)、更先進了，而且全部具有自主知識產(chǎn)權(quán)。監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)相比以前，更加及時、高效、權(quán)威。
給大氣做“CT”——這是對劉文清和他所從事的科研工作高度精練的概括。2013年，因創(chuàng)新性的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)研究及成果產(chǎn)業(yè)化的突出成就，劉文清當(dāng)選為中國工程院院士。至今，他已在中國的光學(xué)研究及大氣環(huán)境光學(xué)監(jiān)測科學(xué)領(lǐng)域奮斗了四十多年。
二
劉文清大學(xué)畢業(yè)后就來到中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所工作。后來，他去國外學(xué)習(xí)和工作了十幾年，1998年春天又重新回到安光所。他說：“我要回到自己的國家，為國家做事。”正是這份家國情懷，讓他下決心為祖國的科技發(fā)展做出貢獻。
回到安光所后，劉文清很快做出了選擇——開展大氣環(huán)境光學(xué)監(jiān)測。在國內(nèi)，這還是個空白。三年前在國外時，有一次，劉文清看到照射在一座山上的閃亮的激光柱，他好奇：那是用來干什么的？后來得知是在探測大氣。當(dāng)激光穿過大氣，會與大氣粒子發(fā)生相互作用，通過激光與大氣中各種物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信號，可以分析大氣中的污染物含量和分布。要知道，那時候國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測還都是傳統(tǒng)方法，主要依靠樣品采集進行實驗室分析。當(dāng)時劉文清就在想：哪一天，中國的環(huán)境監(jiān)測也能走到這一步？
研究方向明確了，劉文清找到所里志同道合的五六個人，分析國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀，講到在國外看到的那束激光，講到國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備百分之九十五以上都依賴進口……安光所環(huán)境光學(xué)監(jiān)測研究室就這樣成立了。
所里擠出二十萬元，作為他們的啟動經(jīng)費。這二十萬首先用來做什么？劉文清他們明白：這是第一炮，必須成功。大家埋頭想了幾天，最后決定用來研制點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀。
那以后的大半年時間，研究室的燈光基本都是通宵亮著。從圖紙開始，到一個個螺絲釘、一個個接口焊接，劉文清帶領(lǐng)團隊，一切都是自己干。他將團隊研究工作分成了兩塊，一塊研發(fā)電路板，一塊攻克軟件算法。硬件上的關(guān)鍵部件是數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)處理電路板，如果依靠進口，那不過是組裝，必須自主創(chuàng)新。電路設(shè)計從A4紙大小，逐漸濃縮至二分之一A4紙大小。密密麻麻的電極管被安置在特定位置。算法上也有突破，團隊第一次獲得了點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀的反演算法，通過循環(huán)驗證，達到了較為滿意的效果。
然而，電路設(shè)計效果并不理想。于是，劉文清他們向中科大的專家求教。回來后，他們推倒重來，將原來的電路設(shè)計改成了集成度更高、可靠性更強的電路設(shè)計方案。這一改，制造工藝上的要求又提高了不少。他們不斷試驗、失敗，再試驗、再失敗……終于，成功地造出了第一塊完全合格的高品質(zhì)點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀模塊。
第二年春天，他們造出了第一臺完整的儀器。
雖然那只是一臺小小的儀器，并不精美，甚至有些笨拙，但劉文清他們卻寶貝得很。這是中國第一臺國產(chǎn)點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀。他們興奮極了，這臺儀器帶來的是希望——他們已經(jīng)悄悄打開了環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)的大門。
三
劉文清從地面下到一千多米深的煤礦巷道。此行，他專程來到煤礦，是奔著煤礦有毒氣體探測儀器研發(fā)過來的。環(huán)境光學(xué)監(jiān)測不僅要在實驗室里做研究，更要走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
劉文清一次次地傾聽工人的意見。井下工人們說得最多的是：原來的儀器不好用，精度不夠，用起來讓人提心吊膽。
回來后，他下決心：儀器一定要好用、便攜、精準。他將設(shè)計方案一改再改，直到終于滿意了，才著手研制。
移動監(jiān)測儀研制出來后，他讓團隊里的年輕人送到礦上，結(jié)合應(yīng)用實際情況再來進行改進。研究室的年輕碩士生、博士生們，常常被劉文清“趕”到產(chǎn)品應(yīng)用一線去。劉文清更是自己帶頭到一線去。
如今已經(jīng)是科研團隊主力的一位研究員，一直記得當(dāng)年跟隨劉文清研發(fā)機動車尾氣探測儀器的經(jīng)過——
劉文清將大家“趕”到大街上，觀察各種機動車。機動車排放污染氣體，然而對行駛中的機動車進行探測，難度可想而知。“許多人都覺得不可思議，車子在跑，怎么測？”
還別說，這一看還真看出了思路。車雖然是行駛著的，但任何行駛的物體，在一定的時間內(nèi)都是靜止的。他們很快聯(lián)想到激光。用兩束激光，從道路兩側(cè)同時打進行駛中的機動車尾氣之中，然后通過反射光譜，反演分析，得出污染物數(shù)據(jù)。
八百里巢湖，水波浩渺。然而，成片的藍藻曾經(jīng)一度污染了水體，湖水發(fā)出惡臭。劉文清團隊來到巢湖邊，沿湖走了一圈又一圈。回去后，他們從零做起，用近一年的時間研制出水體監(jiān)測儀器。該儀器比國外同類儀器便宜一半，投放巢湖后，數(shù)據(jù)精準度卻大幅度提高。在巢湖的綜合治理中，該儀器發(fā)揮了很大作用。
2020年春天，為了盡快了解新冠疫情對大氣環(huán)境的影響等情況，劉文清團隊來到一線。他們穿著厚厚的防護服，隨大氣環(huán)境立體監(jiān)測車頻繁地進行網(wǎng)格化走航觀測。監(jiān)測車是出發(fā)前團隊特意改裝的正壓實驗車，配備了多套大氣環(huán)境立體探測設(shè)備，這些設(shè)備完全由劉文清團隊研發(fā)。每天，從朝霞升起，到臨近午夜，團隊循環(huán)探測，一刻都不松懈。年輕人勸劉文清多休息，不要一直跟車走航。他拒絕了。他說：“我們做科學(xué)研究的，就是要在這關(guān)鍵時刻見功夫。科學(xué)說到底，還是要為人服務(wù)。”他跟團隊一道記錄數(shù)據(jù)，分析標志物變化，及時將探測結(jié)果報告給決策部門。
四
太原衛(wèi)星發(fā)射中心。中國高分五號衛(wèi)星發(fā)射成功。
作為衛(wèi)星環(huán)境載荷的總設(shè)計師，劉文清長長地舒了口氣。他夢想中的中國環(huán)境光學(xué)監(jiān)測天、地、空一體化體系終于建成。
在衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場，劉文清流淚了。從二十年前選擇開拓環(huán)境光學(xué)監(jiān)測開始，從一個接口、一個芯片到一臺儀器，從一個數(shù)據(jù)、一段光譜到一個技術(shù)難題，他們所經(jīng)歷的艱難，只有他們自己知道。
現(xiàn)在，我們國家自己的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測儀器上天了，而且，探測幅寬達到兩千六百公里。給大氣做的“CT”更清晰了。同時，有了自己的數(shù)據(jù)，我們在國際上也有了更多的話語權(quán)。
至今，劉文清團隊已經(jīng)研發(fā)了近百種環(huán)境光學(xué)監(jiān)測儀器。這些儀器被大量地應(yīng)用在國內(nèi)環(huán)境空氣監(jiān)測子站和其他監(jiān)測點上，占到了國產(chǎn)儀器總量的百分之九十以上。
“我們的儀器設(shè)備已經(jīng)完全自主創(chuàng)新，并且實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。”劉文清很自豪。
實驗室里，擺放著每一個時期他們研發(fā)的儀器模型。
世紀之初，代表性的模型是一臺點式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測儀。再后來，是長光程監(jiān)測設(shè)備。到了2008年北京奧運會前后，應(yīng)用激光技術(shù)的激光探測雷達出現(xiàn)了。這些構(gòu)成了地基觀測的基本系統(tǒng)，可以探測地面上、園區(qū)內(nèi)、水域大氣污染情況。
2015年前后，空基探測建立。利用航天飛行設(shè)備載荷，對地面以上五公里內(nèi)大氣進行探測。
2018年5月，高分衛(wèi)星搭載了六臺環(huán)境光學(xué)監(jiān)測儀器，劉文清團隊設(shè)計制造的就有三臺。這些載荷連同后來發(fā)射的環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等，構(gòu)成了中國大氣環(huán)境天基監(jiān)測系統(tǒng)。
“三基”協(xié)同，劉文清團隊又完成了一系列的環(huán)境監(jiān)測研究。2022年湯加火山爆發(fā)，巨大的火山灰隨著大氣流動而蔓延。中國衛(wèi)星獲得了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其研究和監(jiān)測成果處在國際前沿。圍繞京津冀天、地、空一體化大氣綜合環(huán)境實驗的項目也初顯成效，織成了一張時刻監(jiān)測污染氣體和顆粒物的天、地、空大網(wǎng)。
“為大氣做‘CT’”，劉文清解釋道，“這可不是一般的CT，是給大氣這廣闊而流動的物體所做的CT。因此，它的要求更高，難度更大。我們也還正在攀登之中。”
“中國向世界承諾2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。對于我們環(huán)境監(jiān)測工程科學(xué)來說，還有很多的路要走。”前途漫漫，劉文清他們?nèi)沃囟肋h。
