为大气环境做“体检” 让“二次污染”无处循行
2019-12-05 17:04:18 来源: 科技日报 作者: 何亮
秋末冬初本是大气污染高发季，但2019年京津冀的冬天远比往年更“碧蓝”。在这蓝天白云之下，有一项重要的技术在为打赢蓝天保卫战“保驾护航”，它就是——大气监测预警技术。
“大气‘监测预警’就像医院中的检验科，精细、准确、清楚地告诉你，大气是否有污染，整个污染程度如何。”在近日由中国21世纪议程管理中心召开的“大气污染监测预报预警技术交流会”上，中国工程院院士刘文清表示，虽然当前的PM2.5平均浓度显著下降，但是以臭氧、挥发性有机物为代表的“二次污染”不断显现，这对大气监测提出挑战，也是打赢蓝天保卫战必须攻克的难题。
交流会上，包括张远航、刘文清院士在内的专家就“大气污染成因与控制技术专项”（以下简称“大气专项”）中大气污染精细化监测预警技术的创新与突破进行了深入探讨，他们认为区域空气质量的调控，内因是排放，外因是气象，控制重在源头的监测和减排。
捕捉大气污染的隐形“杀手”
自由基，一个听起来活跃的名称，却在大气污染防治中扮演着“阴阳师”的角色。
一方面，它是大气有毒物质的“清道夫”，自由基的存在不断调节着大气环境中的有毒成分，使其不能聚集。另一方面，自由基会与人为排放的挥发性有机物发生氧化，再与氮氧化物发生反应，生成臭氧和二次气溶胶，对臭氧污染和颗粒物污染起到“核心”作用。
一把双刃剑竖在大气中，我们应该如何审视它？大气专项专家组给出的态度是客观精准、越细越好。
准确监测自由基是基于当前大气污染格局的变化趋势，北京大学环境学院研究员、“大气自由基及活性前体物在线测量技术”项目负责人李歆接受科技日报记者采访时表示，自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》（简称“国十条”）以来，多方措施使PM2.5等一次污染缓解显著，但是，从颗粒物化学组成看，二次成分（即一次污染物的大气氧化产物）占比正逐年上升。而且，由挥发性有机物和氮氧化物在光照条件下发生链式反应生成的臭氧，其浓度水平和超标率在全国主要城市地区也呈现上升态势。
在上述“此消彼长”的污染物转换中，自由基就是那个缺其不可的“催化剂”。因此，自由基成为监测大气污染变化的一个重要指标，它的浓度与活跃度成为李歆团队眼中衡量大气氧化性水平的标志物。
自由基能轻松监测到吗？跟常规的气态污染物相比，自由基的浓度非常低。李歆介绍，大气中臭氧的浓度标准是160μg/m3（微克每立方米），换算成数浓度为2×1012 cm-3（分子每立方厘米）。而对大气氧化性贡献最大的羟基自由基（OH）的峰值浓度水平仅在107cm-3（分子每立方厘米）左右，相当于传统气态污染物浓度的十万分之一。而且，自由基的活性非常强，OH自由基的表面被任何物质碰到都会湮灭，这意味着它时刻都处在变化状态，使得测准自由基又增加了难度。
其实，测量OH自由基，从上世70年代开始研究，一直到现在仍有未能攻克的技术难题。李歆团队也是采用国际上已经成熟的技术路线——激光诱导荧光的方法，即用一束激光打到OH自由基上，激发OH自由基释放出荧光，通过监测荧光信号的强弱来判断OH自由基的浓度。
他们的方法创新之处在于，让激光测得稳、测得精、测得准。而背后依靠着自主设计的一套测反馈系统、一系列条件实验和软件模拟、一条自主建设的自由基浓度的发射装置……也正是这项技术和设备的成套应用，使得我国成为世界上第六个独立掌握这种技术来捕捉隐形“杀手”——自由基的国家。
监测固定污染源的超细颗粒
随着“国十条”等政策的出台，污染物排放标准越发严格，如今针对固定污染源的大气环境监测技术早已进入了超细颗粒物监控时代。
在清华大学能源与动力工程系教授丁艳军的项目报告中，记者看到，我国及世界热电厂等固定污染源颗粒物排放检测设备，虽能在线监测5mg/m3（毫克每立方米）以下的超低排放，但仅能测量排放烟尘的总质量浓度，无法实现细、超细颗粒物粒谱分布的高精度在线监测。
“传统的单路光颗粒物光学散射技术，只能获得与烟尘总质量浓度相对应的一维光学信息，而且当环境条件变化时，烟尘粒谱和折射率就会发生变化，该技术因无法感知烟尘特征变化，进而会影响测量结果的准确性。”丁艳军告诉记者，项目组根据光波与颗粒物之间的散射关系，利用信号测量和反演信号处理算法得出烟尘浓度中的PM10、PM2.5、PM1数值，最终实现固定污染源粒谱与质量浓度联合测量。
值得关注的是，课题获得的理论方法和关键部件均申请了专利，其中散射光信号气溶胶特征获取方法及其应用申请了PCT国际发明专利，日本和美国专利均已授权。
对于固定污染源的监测，除了需要有高精尖的技术标准，还得有符合我国实际工况的污染物监测技术。
丁艳军告诉科技日报记者，对于工业烟气脱硝氨逃逸监测，进口仪表无论来自美国、欧洲，还是日本，都无法满足我国大量高灰燃煤机组烟气中氨逃逸的监测，因为烟气中大量的飞灰使得测量激光无法穿透而失效。
项目组针对这种情况，研发了高精度、高灵敏度、可在线标定的原位取样氨逃逸在线监测技术，实现了我国大量高灰燃煤机组烟气脱硝的氨逃逸监测。此外，还针对飞灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，在国际上首先研发出烟尘中飞灰吸附氨的在线监测技术，成功实现了烟气脱硝氨逃逸总量的全面监测。
“这将为我国工业过程中广泛存在的烟气脱硝氨逃逸的全面监测和严格控制提供关键技术支持和保证。”丁艳军说。
探寻大气边界层污染的三维立体信息
2018年冬，一个为期15天、跨越2000公里的大型气象观测实验如期举行。
“这是一次大规模、多平台、多要素大气污染综合观测试验。”该实验项目负责人、中国科学院大气物理研究所研究员胡非表示，这次实验是为了获取京津冀地区点面结合、三维立体的大气污染分布信息，特别是获取大气边界层中大气污染物与气象要素的高分辨垂直分布和时间演变特征。
实验的难度在于高空探测，又是守望京津冀地区，因此取名“望都实验”。与地面固定污染源监测技术不同，“望都实验”主要针对大气边界层中污染物和气象要素垂直结构同步联合探测的不足，展开综合探测与技术突破。
原因在于，距离地面1到2千米的大气边界层主导着地气之间的物质和能量交换，是人类生活和工程活动的主要场所，也是大气污染和气象灾害的主要发生地。胡非告诉记者：“如此高的范围内，要实现空间上全覆盖、成分上要素全、时间上可连续成为一个具体的难点。”
一场“地空”一体的大气污染监测实验在京津冀地区“上演”——32米长、体积为1800多立方米的大型气艇像放风筝一样飘在1000米高空，“空中国王”飞机搭载着设备在空中穿行，激光雷达以北京为中心进行走航观测、京津冀地区的一批地面观测台站等也实施同步协同观测……，为了支撑我国南北方大气污染特征的对比，2000公里外的珠三角、356米高的深圳气象塔和600米高广州电视塔的监测设备同期配合“望都实验”开展观测。
在这次观测试验中，项目自主研发的新型臭氧激光雷达、二氧化氮激光雷达、高空湍流超声风速仪探测系统以及涡度相关PM2.5湍流通量观测系统等也首次亮相。
胡非表示，此次实验得到了以前主要基于地面观测或便携式仪器探空观测所不能得到的污染物物理化学要素精细结构的新信息和新现象，可为揭示京津冀地区重污染形成机制、污染物源解析以及大气污染优化控制提供科学参考。
2019-12-05 17:04:18 来源: 科技日报 作者: 何亮
秋末冬初本是大气污染高发季，但2019年京津冀的冬天远比往年更“碧蓝”。在这蓝天白云之下，有一项重要的技术在为打赢蓝天保卫战“保驾护航”，它就是——大气监测预警技术。
“大气‘监测预警’就像医院中的检验科，精细、准确、清楚地告诉你，大气是否有污染，整个污染程度如何。”在近日由中国21世纪议程管理中心召开的“大气污染监测预报预警技术交流会”上，中国工程院院士刘文清表示，虽然当前的PM2.5平均浓度显著下降，但是以臭氧、挥发性有机物为代表的“二次污染”不断显现，这对大气监测提出挑战，也是打赢蓝天保卫战必须攻克的难题。
交流会上，包括张远航、刘文清院士在内的专家就“大气污染成因与控制技术专项”（以下简称“大气专项”）中大气污染精细化监测预警技术的创新与突破进行了深入探讨，他们认为区域空气质量的调控，内因是排放，外因是气象，控制重在源头的监测和减排。
捕捉大气污染的隐形“杀手”
自由基，一个听起来活跃的名称，却在大气污染防治中扮演着“阴阳师”的角色。
一方面，它是大气有毒物质的“清道夫”，自由基的存在不断调节着大气环境中的有毒成分，使其不能聚集。另一方面，自由基会与人为排放的挥发性有机物发生氧化，再与氮氧化物发生反应，生成臭氧和二次气溶胶，对臭氧污染和颗粒物污染起到“核心”作用。
一把双刃剑竖在大气中，我们应该如何审视它？大气专项专家组给出的态度是客观精准、越细越好。
准确监测自由基是基于当前大气污染格局的变化趋势，北京大学环境学院研究员、“大气自由基及活性前体物在线测量技术”项目负责人李歆接受科技日报记者采访时表示，自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》（简称“国十条”）以来，多方措施使PM2.5等一次污染缓解显著，但是，从颗粒物化学组成看，二次成分（即一次污染物的大气氧化产物）占比正逐年上升。而且，由挥发性有机物和氮氧化物在光照条件下发生链式反应生成的臭氧，其浓度水平和超标率在全国主要城市地区也呈现上升态势。
在上述“此消彼长”的污染物转换中，自由基就是那个缺其不可的“催化剂”。因此，自由基成为监测大气污染变化的一个重要指标，它的浓度与活跃度成为李歆团队眼中衡量大气氧化性水平的标志物。
自由基能轻松监测到吗？跟常规的气态污染物相比，自由基的浓度非常低。李歆介绍，大气中臭氧的浓度标准是160μg/m3（微克每立方米），换算成数浓度为2×1012 cm-3（分子每立方厘米）。而对大气氧化性贡献最大的羟基自由基（OH）的峰值浓度水平仅在107cm-3（分子每立方厘米）左右，相当于传统气态污染物浓度的十万分之一。而且，自由基的活性非常强，OH自由基的表面被任何物质碰到都会湮灭，这意味着它时刻都处在变化状态，使得测准自由基又增加了难度。
其实，测量OH自由基，从上世70年代开始研究，一直到现在仍有未能攻克的技术难题。李歆团队也是采用国际上已经成熟的技术路线——激光诱导荧光的方法，即用一束激光打到OH自由基上，激发OH自由基释放出荧光，通过监测荧光信号的强弱来判断OH自由基的浓度。
他们的方法创新之处在于，让激光测得稳、测得精、测得准。而背后依靠着自主设计的一套测反馈系统、一系列条件实验和软件模拟、一条自主建设的自由基浓度的发射装置……也正是这项技术和设备的成套应用，使得我国成为世界上第六个独立掌握这种技术来捕捉隐形“杀手”——自由基的国家。
监测固定污染源的超细颗粒
随着“国十条”等政策的出台，污染物排放标准越发严格，如今针对固定污染源的大气环境监测技术早已进入了超细颗粒物监控时代。
在清华大学能源与动力工程系教授丁艳军的项目报告中，记者看到，我国及世界热电厂等固定污染源颗粒物排放检测设备，虽能在线监测5mg/m3（毫克每立方米）以下的超低排放，但仅能测量排放烟尘的总质量浓度，无法实现细、超细颗粒物粒谱分布的高精度在线监测。
“传统的单路光颗粒物光学散射技术，只能获得与烟尘总质量浓度相对应的一维光学信息，而且当环境条件变化时，烟尘粒谱和折射率就会发生变化，该技术因无法感知烟尘特征变化，进而会影响测量结果的准确性。”丁艳军告诉记者，项目组根据光波与颗粒物之间的散射关系，利用信号测量和反演信号处理算法得出烟尘浓度中的PM10、PM2.5、PM1数值，最终实现固定污染源粒谱与质量浓度联合测量。
值得关注的是，课题获得的理论方法和关键部件均申请了专利，其中散射光信号气溶胶特征获取方法及其应用申请了PCT国际发明专利，日本和美国专利均已授权。
对于固定污染源的监测，除了需要有高精尖的技术标准，还得有符合我国实际工况的污染物监测技术。
丁艳军告诉科技日报记者，对于工业烟气脱硝氨逃逸监测，进口仪表无论来自美国、欧洲，还是日本，都无法满足我国大量高灰燃煤机组烟气中氨逃逸的监测，因为烟气中大量的飞灰使得测量激光无法穿透而失效。
项目组针对这种情况，研发了高精度、高灵敏度、可在线标定的原位取样氨逃逸在线监测技术，实现了我国大量高灰燃煤机组烟气脱硝的氨逃逸监测。此外，还针对飞灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，在国际上首先研发出烟尘中飞灰吸附氨的在线监测技术，成功实现了烟气脱硝氨逃逸总量的全面监测。
“这将为我国工业过程中广泛存在的烟气脱硝氨逃逸的全面监测和严格控制提供关键技术支持和保证。”丁艳军说。
探寻大气边界层污染的三维立体信息
2018年冬，一个为期15天、跨越2000公里的大型气象观测实验如期举行。
“这是一次大规模、多平台、多要素大气污染综合观测试验。”该实验项目负责人、中国科学院大气物理研究所研究员胡非表示，这次实验是为了获取京津冀地区点面结合、三维立体的大气污染分布信息，特别是获取大气边界层中大气污染物与气象要素的高分辨垂直分布和时间演变特征。
实验的难度在于高空探测，又是守望京津冀地区，因此取名“望都实验”。与地面固定污染源监测技术不同，“望都实验”主要针对大气边界层中污染物和气象要素垂直结构同步联合探测的不足，展开综合探测与技术突破。
原因在于，距离地面1到2千米的大气边界层主导着地气之间的物质和能量交换，是人类生活和工程活动的主要场所，也是大气污染和气象灾害的主要发生地。胡非告诉记者：“如此高的范围内，要实现空间上全覆盖、成分上要素全、时间上可连续成为一个具体的难点。”
一场“地空”一体的大气污染监测实验在京津冀地区“上演”——32米长、体积为1800多立方米的大型气艇像放风筝一样飘在1000米高空，“空中国王”飞机搭载着设备在空中穿行，激光雷达以北京为中心进行走航观测、京津冀地区的一批地面观测台站等也实施同步协同观测……，为了支撑我国南北方大气污染特征的对比，2000公里外的珠三角、356米高的深圳气象塔和600米高广州电视塔的监测设备同期配合“望都实验”开展观测。
在这次观测试验中，项目自主研发的新型臭氧激光雷达、二氧化氮激光雷达、高空湍流超声风速仪探测系统以及涡度相关PM2.5湍流通量观测系统等也首次亮相。
胡非表示，此次实验得到了以前主要基于地面观测或便携式仪器探空观测所不能得到的污染物物理化学要素精细结构的新信息和新现象，可为揭示京津冀地区重污染形成机制、污染物源解析以及大气污染优化控制提供科学参考。
#科技# 探测空间引力波，“太极一号”来了
求索未知宇宙，逐鹿空间引力波探测。前不久，中国科学院空间科学（二期）战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。
作为我国首颗空间引力波探测技术实验卫星，近日成功发射的微重力技术实验卫星被正式命名为“太极一号”。为何要去遥远太空触摸宇宙律动的“脉搏”？“太极一号”有何亮点，目前运行情况如何？听听专家怎么说。
时空涟漪
如果盘点近年来科学研究的热点，引力波是其中一个。2012年，科学家在大型强子对撞机实验中发现神秘的上帝粒子，这表明人类对基本粒子的认识迈出了新的一步。至此，粒子标准物理模型所预言的61种基本粒子几乎都已找到，除了目前唯一的例外——引力子。科学家们认为，引力波是由引力子组成的，引力子则是证明宇宙大爆炸起源的关键
目前，人类可见物质仅占宇宙总量的不足5％，即粒子标准物理模型能解释的物质；95％以上是至今仍笼罩着神秘面纱的暗物质和暗能量。“暗”顾名思义“看不见”，也无法对光和目前的探测手段——电磁波产生任何反应。但引力波或是揭开人类未知世界进而理解宇宙起源的关键，因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和引力作用。
简而言之，“引力波提供了不同于电磁波的全新观测宇宙重要窗口，成为人类探索和认知宇宙的一种新途径和工具”。中国科学院副院长相里斌表示。
什么是引力波？它是物质和能量剧烈运动和变化所产生的一种物质波。如果以水面来比喻时空，引力波就可以看作是时空的涟漪。
爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年2月，美国激光干涉引力波天文台宣布，LIGO（激光干涉仪）探测器观测到了引力波发出的撞击声，人类由此第一次听到了来自外太空的问候——双黑洞并合产生的引力波。
“引力波的发现使得人类可探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和新的天体现象。”“太极一号”首席科学家、中国科学院大学副校长吴岳良说。
探测挑战
征服星辰大海，注定坎坷难行。日常生活中，任何物质的加速运动都能产生引力波，但非常微弱。吴岳良表示，如果用每秒1000转的角速度快速转动一个质量为2000公斤、长度为1米的哑铃，那么在离哑铃3米远处，我们能感受到的引力波振幅仅为10的负35次方——小到目前人类最敏感的科学仪器都测量不到。
后来，实验物理学家们想到了一个解决方案：通过质量更大的天体来观测引力波效应，比如黑洞并合等。然而，像黑洞这样质量巨大天体融合产生的引力波信号穿越茫茫宇宙抵达地球时，已是极其微弱。吴岳良举了个例子，两颗1.5倍太阳质量的中子星以每秒1000转的速率绕转并合产生的引力波，在距离10的23次方米的位置能探测到的引力波强度为10的负20次方。
困难阻挡不住人类探索宇宙的决心。上世纪90年代，美国航空航天局与欧洲航天局合作发展LISA项目，计划探测的引力波源是双星系、超致密双星以及大质量天体的爆炸等。这是全球发展最成熟的空间引力波探测计划，将于2021年完成关键技术研究，2034年发射卫星。
人类已在地球表面直接探测到时空的涟漪，为何还要大费周章踏上去太空的征程？“空间引力波探测的波源特征所对应的天体质量和尺度，远大于地基引力波探测所对应的天体源。”吴岳良告诉经济日报记者，与地基探测不同，在空间能够探测到中低频段的引力波信号，能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，揭示更为丰富的天体物理过程。
“空间探测所覆盖的是引力波波源最为丰富的频段，拥有大量可保证探测到的天体波源，可进行长时间观测，有利于确定波源位置。”吴岳良进一步解释。
中国智慧
探索浩瀚宇宙，为人类文明进步贡献更多中国智慧、中国方案和中国力量，中国亦在行动。2008年开始论证的空间引力波探测“太极计划”便是一个代表。
按照吴岳良的说法，不同频率引力波反映了宇宙的不同时期与不同的天体物理过程。“太极计划”探测频段基本覆盖欧空局LISA引力波探测频段（0.1赫兹至1.0赫兹），并在0.01赫兹至1.0赫兹频段比LISA具有更高的探测灵敏度。我国空间引力波探测研究对象囊括了由近到远、由小到大极为丰富的引力波源，探测范围可以覆盖整个宇宙空间。
由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。这里面所涉及的核心技术包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等。
根据“太极计划”，我国确定了“单星、双星、三星”“三步走”的发展战略和路线图，并于2018年8月立项实施“太极计划”单星工程任务，启动了“三步走”中的第一步：发射“太极一号”卫星，对核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证，继而形成在空间探测引力波的技术能力。
时光不负情深。“太极一号”科研团队全力以赴、攻坚克难、勇于突破、协同创新，在不到一年时间内完成了卫星研制任务。8月31日，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星“太极一号”成功发射。
“卫星在轨测试正按计划有序开展，目前卫星状态正常，第一阶段在轨测试任务顺利完成。”吴岳良介绍，我国成功迈出了空间引力波探测的第一步，实验结果验证了“太极计划”技术路线的正确性和方案的可行性。
太极计划
根据“太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析结果，激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级，百皮米相当于一个原子直径的大小；引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级，这意味着可以测出一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度；微推进器推力分辨率达到亚微牛量级，这表示可以精细调节一粒芝麻重量万分之一大小的推力。
如此苛刻的测量精度只为发现引力波的踪迹。按照引力波测量原理，引力波经过时会引起自由悬浮的两个测试质量（理想情况下可以看成两个质点）之间的光程变化。科学家们正是通过激光干涉仪来测量这个光程变化，从而来反演引力波信号。
但由于引力波信号极其微弱，因此会带来两个问题：一是引力波引起的光程变化非常小，因而对激光干涉仪的测量精度提出了极高要求。二是如果测试质量暴露在外太空，受到太阳光压、太阳风等因素扰动，测试质量会产生扰动加速度，从而产生位移噪声，很容易把引力波信号淹没。因此，科学家们将测试质量保护在卫星中心，与卫星没有直接物理接触，使其不受外界扰动，测试质量就会处于自由漂移状态。
但如此一来，外界扰动就会作用在卫星上，使卫星产生位移扰动，时间一长，卫星与测试质量会碰撞到一起。怎么办？科学家们通过位移传感器（电容位移传感或者光传感）时刻读出卫星和测试质量之间的位移变化，反馈给安装在卫星上的微推进器，微推进器会产生准确且稳定的推力，将卫星受到的外界扰动力补偿掉，从而始终保持测试质量和卫星间的位移处于平衡状态。
“‘太极一号’实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，成功开展了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证，这为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。”中国科学院院士、“太极一号”卫星工程总师王建宇表示。
一切才刚刚开始。根据王建宇的说法，要达到空间引力波探测的技术条件可能还需要10年。比如，在现有技术基础上，激光干涉仪位移测量精度、微推进器推力精度要提高一个量级，引力参考传感器测量精度还要提高6个量级。
“‘太极计划’要实现对相距300万公里的两个测试质量之间十分之一个原子大小位移变化的精确测量，对扰动加速度需控制在亿亿分之一重力加速度的水平，还需要突破更核心的关键技术。”吴岳良表示。
如今，一切正朝着既定方向发展。按照“太极计划”，我国将于2023年后发射“太极二号”双星，对绝大部分关键技术开展较高指标在轨搭载验证；2033年左右发射“太极三号”三星，探测各种引力波天体，认识引力宇宙。
图一：“太极一号”模拟图。 （资料图片）
图二：“太极一号”卫星工程总师王建宇（左）向记者介绍“太极一号”。记者 沈 慧
来源：经济日报
记者 沈 慧
求索未知宇宙，逐鹿空间引力波探测。前不久，中国科学院空间科学（二期）战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。
作为我国首颗空间引力波探测技术实验卫星，近日成功发射的微重力技术实验卫星被正式命名为“太极一号”。为何要去遥远太空触摸宇宙律动的“脉搏”？“太极一号”有何亮点，目前运行情况如何？听听专家怎么说。
时空涟漪
如果盘点近年来科学研究的热点，引力波是其中一个。2012年，科学家在大型强子对撞机实验中发现神秘的上帝粒子，这表明人类对基本粒子的认识迈出了新的一步。至此，粒子标准物理模型所预言的61种基本粒子几乎都已找到，除了目前唯一的例外——引力子。科学家们认为，引力波是由引力子组成的，引力子则是证明宇宙大爆炸起源的关键
目前，人类可见物质仅占宇宙总量的不足5％，即粒子标准物理模型能解释的物质；95％以上是至今仍笼罩着神秘面纱的暗物质和暗能量。“暗”顾名思义“看不见”，也无法对光和目前的探测手段——电磁波产生任何反应。但引力波或是揭开人类未知世界进而理解宇宙起源的关键，因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和引力作用。
简而言之，“引力波提供了不同于电磁波的全新观测宇宙重要窗口，成为人类探索和认知宇宙的一种新途径和工具”。中国科学院副院长相里斌表示。
什么是引力波？它是物质和能量剧烈运动和变化所产生的一种物质波。如果以水面来比喻时空，引力波就可以看作是时空的涟漪。
爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年2月，美国激光干涉引力波天文台宣布，LIGO（激光干涉仪）探测器观测到了引力波发出的撞击声，人类由此第一次听到了来自外太空的问候——双黑洞并合产生的引力波。
“引力波的发现使得人类可探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和新的天体现象。”“太极一号”首席科学家、中国科学院大学副校长吴岳良说。
探测挑战
征服星辰大海，注定坎坷难行。日常生活中，任何物质的加速运动都能产生引力波，但非常微弱。吴岳良表示，如果用每秒1000转的角速度快速转动一个质量为2000公斤、长度为1米的哑铃，那么在离哑铃3米远处，我们能感受到的引力波振幅仅为10的负35次方——小到目前人类最敏感的科学仪器都测量不到。
后来，实验物理学家们想到了一个解决方案：通过质量更大的天体来观测引力波效应，比如黑洞并合等。然而，像黑洞这样质量巨大天体融合产生的引力波信号穿越茫茫宇宙抵达地球时，已是极其微弱。吴岳良举了个例子，两颗1.5倍太阳质量的中子星以每秒1000转的速率绕转并合产生的引力波，在距离10的23次方米的位置能探测到的引力波强度为10的负20次方。
困难阻挡不住人类探索宇宙的决心。上世纪90年代，美国航空航天局与欧洲航天局合作发展LISA项目，计划探测的引力波源是双星系、超致密双星以及大质量天体的爆炸等。这是全球发展最成熟的空间引力波探测计划，将于2021年完成关键技术研究，2034年发射卫星。
人类已在地球表面直接探测到时空的涟漪，为何还要大费周章踏上去太空的征程？“空间引力波探测的波源特征所对应的天体质量和尺度，远大于地基引力波探测所对应的天体源。”吴岳良告诉经济日报记者，与地基探测不同，在空间能够探测到中低频段的引力波信号，能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，揭示更为丰富的天体物理过程。
“空间探测所覆盖的是引力波波源最为丰富的频段，拥有大量可保证探测到的天体波源，可进行长时间观测，有利于确定波源位置。”吴岳良进一步解释。
中国智慧
探索浩瀚宇宙，为人类文明进步贡献更多中国智慧、中国方案和中国力量，中国亦在行动。2008年开始论证的空间引力波探测“太极计划”便是一个代表。
按照吴岳良的说法，不同频率引力波反映了宇宙的不同时期与不同的天体物理过程。“太极计划”探测频段基本覆盖欧空局LISA引力波探测频段（0.1赫兹至1.0赫兹），并在0.01赫兹至1.0赫兹频段比LISA具有更高的探测灵敏度。我国空间引力波探测研究对象囊括了由近到远、由小到大极为丰富的引力波源，探测范围可以覆盖整个宇宙空间。
由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。这里面所涉及的核心技术包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等。
根据“太极计划”，我国确定了“单星、双星、三星”“三步走”的发展战略和路线图，并于2018年8月立项实施“太极计划”单星工程任务，启动了“三步走”中的第一步：发射“太极一号”卫星，对核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证，继而形成在空间探测引力波的技术能力。
时光不负情深。“太极一号”科研团队全力以赴、攻坚克难、勇于突破、协同创新，在不到一年时间内完成了卫星研制任务。8月31日，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星“太极一号”成功发射。
“卫星在轨测试正按计划有序开展，目前卫星状态正常，第一阶段在轨测试任务顺利完成。”吴岳良介绍，我国成功迈出了空间引力波探测的第一步，实验结果验证了“太极计划”技术路线的正确性和方案的可行性。
太极计划
根据“太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析结果，激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级，百皮米相当于一个原子直径的大小；引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级，这意味着可以测出一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度；微推进器推力分辨率达到亚微牛量级，这表示可以精细调节一粒芝麻重量万分之一大小的推力。
如此苛刻的测量精度只为发现引力波的踪迹。按照引力波测量原理，引力波经过时会引起自由悬浮的两个测试质量（理想情况下可以看成两个质点）之间的光程变化。科学家们正是通过激光干涉仪来测量这个光程变化，从而来反演引力波信号。
但由于引力波信号极其微弱，因此会带来两个问题：一是引力波引起的光程变化非常小，因而对激光干涉仪的测量精度提出了极高要求。二是如果测试质量暴露在外太空，受到太阳光压、太阳风等因素扰动，测试质量会产生扰动加速度，从而产生位移噪声，很容易把引力波信号淹没。因此，科学家们将测试质量保护在卫星中心，与卫星没有直接物理接触，使其不受外界扰动，测试质量就会处于自由漂移状态。
但如此一来，外界扰动就会作用在卫星上，使卫星产生位移扰动，时间一长，卫星与测试质量会碰撞到一起。怎么办？科学家们通过位移传感器（电容位移传感或者光传感）时刻读出卫星和测试质量之间的位移变化，反馈给安装在卫星上的微推进器，微推进器会产生准确且稳定的推力，将卫星受到的外界扰动力补偿掉，从而始终保持测试质量和卫星间的位移处于平衡状态。
“‘太极一号’实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，成功开展了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证，这为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。”中国科学院院士、“太极一号”卫星工程总师王建宇表示。
一切才刚刚开始。根据王建宇的说法，要达到空间引力波探测的技术条件可能还需要10年。比如，在现有技术基础上，激光干涉仪位移测量精度、微推进器推力精度要提高一个量级，引力参考传感器测量精度还要提高6个量级。
“‘太极计划’要实现对相距300万公里的两个测试质量之间十分之一个原子大小位移变化的精确测量，对扰动加速度需控制在亿亿分之一重力加速度的水平，还需要突破更核心的关键技术。”吴岳良表示。
如今，一切正朝着既定方向发展。按照“太极计划”，我国将于2023年后发射“太极二号”双星，对绝大部分关键技术开展较高指标在轨搭载验证；2033年左右发射“太极三号”三星，探测各种引力波天体，认识引力宇宙。
图一：“太极一号”模拟图。 （资料图片）
图二：“太极一号”卫星工程总师王建宇（左）向记者介绍“太极一号”。记者 沈 慧
来源：经济日报
记者 沈 慧
#保定交警微发布#
#创城进行时#
【多措并举 全警联动 科技先导 我市道路交通秩序整治行动进行时】
为了深化道路交通秩序整治工程，切实加强国、省、县、乡道路交通安全管控，有效预防和减少农村地区道路交通事故的发生，进一步加大对大型货车无牌无照、私自加高车辆车厢挡板、故意污损号牌、超载超限、报废车上路及小型汽车涉牌涉证、不按规定参加车辆年检、酒后驾车等严重交通违法行为的查处力度，打响大气环境保卫战，对环保不达标、严重污染环境的报废车、拼装车、无牌无照大货车严厉打击。近期，市公安交警部门全警联动，采取区域交叉用警、异地用警、组建执法小分队等方式，在城市、农村、公路三条战线，连续出重拳对各种交通违法行为进行从重打击，效果显著。
异地用警出大招 严厉打击不手软
查处酒驾是市公安交警部门常态性工作，然而时间长了，在一些区域一些人就摸到了规律，使得查处的效果下降。对此市公安交警采取异地用警的方式开展查处。8月14日晚，保定公安交警在全市组织开展查处酒驾醉驾违法行为集中统一行动，抽调市区大队精干警力赴清苑区开展整治酒驾行动，收到良好效果。
在清苑区第五医院门前路段，公安交警一大队民警对一辆黑色大众轿车驾驶人进行呼气式酒精检测，驾驶人呼气后，仪器指示灯立即亮起，提示该驾驶人有酒驾嫌疑！执勤交警立即要求驾驶人熄火，并对其进行进一步酒精含量测试。最终确定其血液内酒精含量为34mg/100ml，该驾驶员对测酒数值有异议，要求抽血检测，民警马上将该驾驶人带上在测酒现场等候的医院采血车进行抽血，见到如此快就要抽血，该驾驶人主动放弃抽血检测，当现场承认喝酒后驾车的违法行为。当晚查处酒驾8起（其中无证酒驾1起），报废车2辆。
8日29日，市公安交警部门加大对农村地区无牌无照、超载、报废车上路等交通违法行为的打击，抽调曲阳县和望都县30余名警力异地到唐县开展交通秩序整顿专项治理活动。29日上午8点30分，市公安交警支队组织曲阳县和望都县交警大队30余名警力分别在唐县的省道保阜路与军白线交叉口、东外环及县城区主要道路等路段设立治理点，严厉打击各种交通违法行为。在军白线、335省道和321县道交汇口，各种大型货车在路口交汇、穿行，路况较为复杂。异地出警的曲阳县交警现场警力分为三组，对三个路段来往车辆同时开展盘查。
一辆外观严重污损、不按规定覆盖苫布、边走边撒漏白色颗粒的货车进入民警视线，民警立即拦停车辆，经检查车辆拉运的货物为白灰颗粒，该车辆明显存在私自加高车厢挡板、严重超载等交通违法行为，民警依法暂扣了车辆。
另有一辆大型货运车辆违法停放在路口中间，民警使用警用喇叭才将驾驶人从傍边的一家早餐店里喊出来，该名驾驶人向民警解释说：“停一下，吃完早餐就走”。民警依法对该车驾驶人进行了处罚。“拦住那个搅拌车，拦住那个搅拌车。”8时40分许，一辆混凝土搅拌车被民警拦截，该车因私自加装大灯等行为被交警处罚；
随后，一辆铲车装载机轰鸣而来，同样被民警拦截。经检查，该车辆属于特种作业车辆，不得在开放道路行驶，且驾驶人未取得相应驾驶资格，民警依法暂扣了车辆。当日10时30分许，唐县东外环仁厚路与迎宾街交口，望都交警大队正在此处设点执法。民警查扣了一辆破旧面包车 ，经查询该面包车2006年以后一直未办理车辆年度检验，此车辆已经连续超过三个检验周期逾期未年检，属于系统注销车辆（达到报废标准），民警依法暂扣了车辆。
随后一辆小型客货车后面拖着两根几十米长的电线杆晃晃悠悠的在路上行驶，属于严重超限行为，其他的车辆纷纷躲避。民警立即拦停车辆，要求车上施工人员联系单位将电线杆卸载转运，对车辆依法进行了暂扣。当天行动中，扣留报废车2台，拼装车、改型车3台，无牌无证车3台，一次性记满十二分2人，酒驾1人，其他违法行为34例。
执法小队打击违法“零容忍”
为深入推进交通整治工作，迅速形成高压态势，切实加大打击力度，市公安交警部门经过对全市交通形势的研判，发现一些大货车特别是尾气重污染车辆为了逃避交警打击，选择在夜间，比较偏僻的道路出行。为此，市公安交警部门组建了多支执法小分队，各执法小分队互相配合，通过定点检查和道路巡逻相结合的方式，有针对性的对重点地段和夜间巡逻管控，对 “问题”车辆实施精准打击。
8月30日晚10点多，市公安交警支队外环大队执法小分队在西三环与天威路交叉口扣留了一辆报废车改装的翻斗车，俗称“鬼怪车”。在前段时间，该大队执法小分队在同地点也扣留了两辆用报废车改装的吊车。交警一大队执法小分队在东二环与天威路南查扣了三辆“鬼怪式”翻斗车。目前，这些车辆已移交报废公司，强制进行报废。
8月16日凌晨0时50分左右，在南二环与朝阳大街交叉口，一辆黄牌大货车在等红灯之际，司机迅速下车，走到车头前忙碌着什么，行迹十分可疑，保定市公安交警外环大队一名辅警穿便衣下车上前查看，发现该车驾驶人正在用卫生纸遮挡号牌，并用胶带粘贴固定。该司机发现着便衣的辅警王微，并不以为然，继续淡定地遮挡号牌。当辅警亮明了自己的交警身份。该司机瞬间停止了手中的违法行为，静止片刻后，立即将遮挡号牌的卫生纸撕下，但是该车驾驶人的一举一动早就被执法记录仪固定下来。该车驾驶人为了躲避电子警察的抓拍，耍起小聪明，用卫生纸遮挡号牌，企图逃避处罚。该驾驶人的行为属于故意遮挡号牌，根据《中华人民共和国道路交通安全法》的相关规定，交警对其处以罚款200元，记12分的处罚，该货车司机的A2本也将直接降级。
高科技手段显神威 精准打击“无脸车”
随着现代化电子执法能力不断加强，电子警察也是日益普及，但部分驾驶人为了躲避电子警察的查处，使用不悬挂号牌、遮挡牌照、故意污损牌照等手段逃避处罚，甚至使用无牌车辆从事违法活动，给社会带来严重的不安全因素。保定公安交警坚持以“科技强警”为导向，以交管信息化建设为契机，依托大数据自动分析系统开展对无牌车的分析研判，重拳打击涉牌交通违法车辆。冀F393XX一辆红色别克轿车为了逃避电子警察抓拍，采取采取不悬挂牌照方式在道路行驶，市公安交警大数据信息中心通过分析车辆行驶轨迹和自动比对，锁定该车辆违法信息。一辆黑色路虎越野车用纸板故意遮挡号牌，大数据信息中心通过分析和自动比对，锁定冀F835XX车辆违法信息。近两个月，公安交警共查扣无牌无照、故意遮挡、污损号牌车辆共计120余辆。
#创城进行时#
【多措并举 全警联动 科技先导 我市道路交通秩序整治行动进行时】
为了深化道路交通秩序整治工程，切实加强国、省、县、乡道路交通安全管控，有效预防和减少农村地区道路交通事故的发生，进一步加大对大型货车无牌无照、私自加高车辆车厢挡板、故意污损号牌、超载超限、报废车上路及小型汽车涉牌涉证、不按规定参加车辆年检、酒后驾车等严重交通违法行为的查处力度，打响大气环境保卫战，对环保不达标、严重污染环境的报废车、拼装车、无牌无照大货车严厉打击。近期，市公安交警部门全警联动，采取区域交叉用警、异地用警、组建执法小分队等方式，在城市、农村、公路三条战线，连续出重拳对各种交通违法行为进行从重打击，效果显著。
异地用警出大招 严厉打击不手软
查处酒驾是市公安交警部门常态性工作，然而时间长了，在一些区域一些人就摸到了规律，使得查处的效果下降。对此市公安交警采取异地用警的方式开展查处。8月14日晚，保定公安交警在全市组织开展查处酒驾醉驾违法行为集中统一行动，抽调市区大队精干警力赴清苑区开展整治酒驾行动，收到良好效果。
在清苑区第五医院门前路段，公安交警一大队民警对一辆黑色大众轿车驾驶人进行呼气式酒精检测，驾驶人呼气后，仪器指示灯立即亮起，提示该驾驶人有酒驾嫌疑！执勤交警立即要求驾驶人熄火，并对其进行进一步酒精含量测试。最终确定其血液内酒精含量为34mg/100ml，该驾驶员对测酒数值有异议，要求抽血检测，民警马上将该驾驶人带上在测酒现场等候的医院采血车进行抽血，见到如此快就要抽血，该驾驶人主动放弃抽血检测，当现场承认喝酒后驾车的违法行为。当晚查处酒驾8起（其中无证酒驾1起），报废车2辆。
8日29日，市公安交警部门加大对农村地区无牌无照、超载、报废车上路等交通违法行为的打击，抽调曲阳县和望都县30余名警力异地到唐县开展交通秩序整顿专项治理活动。29日上午8点30分，市公安交警支队组织曲阳县和望都县交警大队30余名警力分别在唐县的省道保阜路与军白线交叉口、东外环及县城区主要道路等路段设立治理点，严厉打击各种交通违法行为。在军白线、335省道和321县道交汇口，各种大型货车在路口交汇、穿行，路况较为复杂。异地出警的曲阳县交警现场警力分为三组，对三个路段来往车辆同时开展盘查。
一辆外观严重污损、不按规定覆盖苫布、边走边撒漏白色颗粒的货车进入民警视线，民警立即拦停车辆，经检查车辆拉运的货物为白灰颗粒，该车辆明显存在私自加高车厢挡板、严重超载等交通违法行为，民警依法暂扣了车辆。
另有一辆大型货运车辆违法停放在路口中间，民警使用警用喇叭才将驾驶人从傍边的一家早餐店里喊出来，该名驾驶人向民警解释说：“停一下，吃完早餐就走”。民警依法对该车驾驶人进行了处罚。“拦住那个搅拌车，拦住那个搅拌车。”8时40分许，一辆混凝土搅拌车被民警拦截，该车因私自加装大灯等行为被交警处罚；
随后，一辆铲车装载机轰鸣而来，同样被民警拦截。经检查，该车辆属于特种作业车辆，不得在开放道路行驶，且驾驶人未取得相应驾驶资格，民警依法暂扣了车辆。当日10时30分许，唐县东外环仁厚路与迎宾街交口，望都交警大队正在此处设点执法。民警查扣了一辆破旧面包车 ，经查询该面包车2006年以后一直未办理车辆年度检验，此车辆已经连续超过三个检验周期逾期未年检，属于系统注销车辆（达到报废标准），民警依法暂扣了车辆。
随后一辆小型客货车后面拖着两根几十米长的电线杆晃晃悠悠的在路上行驶，属于严重超限行为，其他的车辆纷纷躲避。民警立即拦停车辆，要求车上施工人员联系单位将电线杆卸载转运，对车辆依法进行了暂扣。当天行动中，扣留报废车2台，拼装车、改型车3台，无牌无证车3台，一次性记满十二分2人，酒驾1人，其他违法行为34例。
执法小队打击违法“零容忍”
为深入推进交通整治工作，迅速形成高压态势，切实加大打击力度，市公安交警部门经过对全市交通形势的研判，发现一些大货车特别是尾气重污染车辆为了逃避交警打击，选择在夜间，比较偏僻的道路出行。为此，市公安交警部门组建了多支执法小分队，各执法小分队互相配合，通过定点检查和道路巡逻相结合的方式，有针对性的对重点地段和夜间巡逻管控，对 “问题”车辆实施精准打击。
8月30日晚10点多，市公安交警支队外环大队执法小分队在西三环与天威路交叉口扣留了一辆报废车改装的翻斗车，俗称“鬼怪车”。在前段时间，该大队执法小分队在同地点也扣留了两辆用报废车改装的吊车。交警一大队执法小分队在东二环与天威路南查扣了三辆“鬼怪式”翻斗车。目前，这些车辆已移交报废公司，强制进行报废。
8月16日凌晨0时50分左右，在南二环与朝阳大街交叉口，一辆黄牌大货车在等红灯之际，司机迅速下车，走到车头前忙碌着什么，行迹十分可疑，保定市公安交警外环大队一名辅警穿便衣下车上前查看，发现该车驾驶人正在用卫生纸遮挡号牌，并用胶带粘贴固定。该司机发现着便衣的辅警王微，并不以为然，继续淡定地遮挡号牌。当辅警亮明了自己的交警身份。该司机瞬间停止了手中的违法行为，静止片刻后，立即将遮挡号牌的卫生纸撕下，但是该车驾驶人的一举一动早就被执法记录仪固定下来。该车驾驶人为了躲避电子警察的抓拍，耍起小聪明，用卫生纸遮挡号牌，企图逃避处罚。该驾驶人的行为属于故意遮挡号牌，根据《中华人民共和国道路交通安全法》的相关规定，交警对其处以罚款200元，记12分的处罚，该货车司机的A2本也将直接降级。
高科技手段显神威 精准打击“无脸车”
随着现代化电子执法能力不断加强，电子警察也是日益普及，但部分驾驶人为了躲避电子警察的查处，使用不悬挂号牌、遮挡牌照、故意污损牌照等手段逃避处罚，甚至使用无牌车辆从事违法活动，给社会带来严重的不安全因素。保定公安交警坚持以“科技强警”为导向，以交管信息化建设为契机，依托大数据自动分析系统开展对无牌车的分析研判，重拳打击涉牌交通违法车辆。冀F393XX一辆红色别克轿车为了逃避电子警察抓拍，采取采取不悬挂牌照方式在道路行驶，市公安交警大数据信息中心通过分析车辆行驶轨迹和自动比对，锁定该车辆违法信息。一辆黑色路虎越野车用纸板故意遮挡号牌，大数据信息中心通过分析和自动比对，锁定冀F835XX车辆违法信息。近两个月，公安交警共查扣无牌无照、故意遮挡、污损号牌车辆共计120余辆。
✋热门推荐