Mapping ammonia emission plumes using shortwave infrared imaging spectroscopy

想象一下，大气层就像一个我们共同分享的巨大、隐形的空气海洋。有时，这个海洋会被一些看不见的废气污染，这些气体可能会伤害我们的健康并破坏自然。其中一种气体就是氨。你可能在清洁用品中闻到过它那刺鼻的味道，但在天空中，它主要来自农场和工厂。当过多的氨在空气中漂浮时，它会变成微小的、有害的尘埃颗粒，被我们吸入呼吸；或者落在森林和湖泊中，像是一种有毒的肥料，破坏自然的微妙平衡。

长期以来，科学家们一直试图追踪这些隐形的氨云，使用的是特殊的“热量”相机。想象一下，这就像是在寒冷的房间里寻找一杯热咖啡：相机通过观察热量的差异来识别它。但这种方法存在一些大问题。它只有在地面温度与空气温度不同时才有效；它很难捕捉到微小或隐藏的来源；而且卫星上的相机往往过于模糊，甚至无法看清比整个街区还小的目标。这就像是用一台只能在黑暗中观察的望远镜，试图从一英里外阅读一份报纸。

现在，一组研究人员发现了一种巧妙的新方法来监测这些氨云。他们不再寻找热量，而是决定寻找阳光。他们使用了一颗名为 Tanager-1 的卫星，它就像一个超级强大的相机，可以看见人类肉眼无法察觉的光谱部分。通过分析阳光如何从地面反射并被氨分子“窃取”，他们能够以惊人的清晰度绘制出污染羽流的图谱。他们不仅仅是在猜测，而是测量了来自巴基斯坦和乌兹别克斯坦特定工厂排出的气体，证明了这种新的“阳光侦探”方法是行之有效的，并且可以帮助我们看到此前隐藏在阴影中的污染。

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阳光侦探：捕捉隐形的云朵

多年来，追踪隐形的氨污染云就像是试图用热成像相机在雾气弥漫的房间里寻找幽灵。如果幽灵（氨）与房间（空气）的温度没有差异，相机就无法识别它。此外，旧的卫星相机非常模糊，只能捕捉到巨大的、孤立的云团，从而错过了来自工厂和农场的那些更小、更隐蔽的泄漏。

但在这项新研究中，研究人员决定改变游戏规则。他们不再寻找热量，而是决定寻找“影子”。他们意识到，氨在短波红外光的部分具有特殊的“指纹”。当阳光照射地面并向上反射时，空气中的氨分子就像一副隐形的微型墨镜，会阻挡特定颜色的光线。通过精确测量缺失了多少光，科学家就能算出那里到底有多少氨。

新工具：Tanager-1
为了测试这个想法，团队使用了来自名为 Tanager-1 卫星的数据。把这颗卫星想象成一个高速扫描仪，它能以 30 米为单位的小方格对地球表面进行成像。这大约是一个大房子或一个小公园的大小。相比于旧的卫星相机（可能一次只能看到一整个街区），这是一个巨大的升级。

科学家们使用了一种叫做“匹配滤波器”的数学技巧。把它想象成拥有一张针对氨指纹的特定“通缉令”。计算机扫描卫星图像中的每一个像素，将看到的的光谱模式与这张“通缉令”进行对比。如果光线模式符合氨阻挡阳光的特征，计算机就会将其标记出来。他们不仅是观察整幅图像，还进行了缩放，以找到从源头飘出的污染羽流的具体形状。

重大发现：寻找隐藏的泄漏
团队在两个地方测试了他们的新方法：巴基斯坦和乌兹别克斯坦。他们观察的是以排放氨而闻名的工业化肥厂。

• 在巴基斯坦： 他们发现了一个从化肥厂飘出的巨大羽流。他们计算出，仅这一家工厂每小时就会喷出 837 kg h⁻¹ 的氨。
• 在乌兹别克斯坦： 他们发现了两个靠近的来源。一个释放量为 781 kg h⁻¹，另一个为 908 kg h⁻¹，总计 1689 kg h⁻¹。

核实工作
现在，你可能会问：“这会是错误吗？也许卫星把氨和水蒸气或甲烷搞混了？”研究人员非常谨慎。他们通过观察不同的光波窗口（具体为 1425–1575、1850–2100 和 2175–2300 nm）来核实工作。在每一种情况下，氨羽流都清晰可见，这证明他们看到的并非其他气体。

这与旧方法相比如何？
研究人员将他们的新数据与过去旧的、模糊的热成像卫星相机所报告的数据进行了对比。

• 对于巴基斯坦站点，使用热成像相机的旧研究估计其泄漏量在 3212–8035 kg h⁻¹ 之间。
• 对于乌兹别克斯坦站点，一项旧研究估计为 2714 kg h⁻¹。

新的数值较低。作者认为，这可能是因为旧的热成像相机对气体在空气中停留时间的假设过于敏感，或者它们可能误将来自附近源头的气体识别为一个巨大的整体。这种拥有 30 米高分辨率的新方法，能够更精确地观察气体究竟是从哪里产生的。

为什么这很重要
这项研究是一个“概念验证”，意味着这是第一次有人成功展示了利用反射阳光而非热量来绘制氨分布图。这不仅仅是一个理论；他们实际测量了来自真实工厂的真实排放。

最棒的部分是？这并不是一种“一次性”的技术。已经有其他搭载了能看见这些相同波长光线的相机的卫星和飞机在飞行（例如 AVIRIS、EMIT、PRISMA 和 EnMAP）。这一发现意味着我们不需要等待全新的、昂贵的卫星投入使用，就可以开始清晰地观测氨污染。我们可以利用现有的工具，构建一张更清晰、更频繁的世界氨排放地图，从而帮助我们保护生态系统和我们的健康。