数字全息术：解锁气溶胶的奥秘

在我们的大气中，气溶胶是多种多样的颗粒。在尺寸和形状中，科学家在测量这些粒子的散射和吸收太阳的光线时，科学家们面临着显着的技术挑战，使得难以准确地评估其对地球大气的影响。在堪萨斯州立大学和他的同事们在堪萨斯州立大学的Matthew J. Berg博士正在通过数字全息术的尖端技术来解决这个问题。他们的工作持有改变我们对气溶胶如何影响气氛的理解的潜力，为研究人员提供了与气候变化的斗争中的关键信息。

当阳光击中大气中的颗粒时，其中一些可能被吸收，而其余部分将散布在许多不同的方向上。这一过程对整个大气的能量平衡产生了深刻的影响，气候学家非常清楚它在不同的粒子之间变化。例如，一些气体如臭氧，吸收来自太阳的紫外线辐射，保护地球表面上的生命;虽然温室气体如二氧化碳吸收热红外辐射，加热大气。研究人员使用称为“辐射强制”的数量来量化这些性质 - 定义所吸收的能量之间的平衡，并将其辐射回空间。

当吸收更多能量时，据说辐射强制被置于“正”，大气热量升温 - 如温室效果清楚地看到。相比之下，“负”辐射强制导致气氛冷却。效果是大气模型的重要元素，它使用热力学和流体动力学的组合来预测大气如何随时间行为。然而，大气的组成比相对简单的分子气体的混合物更复杂。实际上，较大的粒子较大的较大粒子在我们的头顶上方漂浮。这种颗粒不仅吸收光线，而且它们也散布它。虽然气体分子以简单的方式散射光，但气溶胶颗粒大于大小的微米尺寸散射光以难以模拟的高度复杂的方式。

评估气溶胶的影响
虽然我们看不见大气，但大气中有各种各样的液体和固体颗粒，包括花粉、煤烟、水滴和矿物尘埃。这些微粒被称为“气溶胶”，其大小从纳米到数百微米不等，形状从简单的球体到高度不规则的结构。由于这种多样性，气溶胶作为一个整体要比研究像臭氧和二氧化碳这样的分子复杂得多，这使得测量它们对大气辐射力的影响更加困难。

入射在粒子上和它散发的光线。这种模式被称为全息图，并在我们的工作中通过数字传感器（CCD）测量。在向测量全息图施加傅里叶变换的操作之后，获得颗粒的图像。“

先前的研究得出结论，一些气溶胶可能具有负辐射强迫，使大气略有冷却。然而，这些结果是不确定的;特别是矿物粉尘，它通常是一种大颗粒，对其他大气过程有很强的影响，比如云的形成。最终，这意味着将气溶胶的影响纳入当前的大气模型是极其困难的。随着气候变化的推进，精确的模型在预测未来几十年地球大气的变化方面变得至关重要;这使得研究人员找到精确测量气溶胶辐射力的方法变得越来越重要。

困难与成像
在产生气溶胶粒子的精确图像之前，Berg博士的团队有几个主要的困难需要克服。最紧迫的问题是气溶胶非常脆弱;如果以物理方式收集，它们独特的形状很可能会被破坏，从而导致对它们属性的测量有缺陷。解决这个问题的一种方法是用脉冲激光束照射粒子，然后测量它们向不同方向散射光时产生的图案。这种模式已知与颗粒的大小和形状有关。

然而，这项技术带来了更大的困难:因为气溶胶具有如此复杂的结构，它们产生的散射模式往往过于复杂，难以准确解释。就像几乎不可能通过一组陌生的脚印来重建动物的形状一样，气溶胶粒子很难通过它们的散射模式来建模——这是一个被称为“逆问题”的难题。

我们的项目应用光散射的新概念，以无接触的方式获得大气气溶胶粒子的图像。

介绍数字全息术
伯格博士提出，通过数字全息术的尖端光学技术同时避免侵入性测量，可以避免逆问题。“我们的项目在光散射中采用新颖的概念，以免费的方式获得大气气溶胶颗粒的图像，”他解释道。“这是通过测量由入射在颗粒上的光和其散射的光产生的干扰图案来完成的。这种模式被称为全息图，并在我们的工作中通过数字传感器（CCD）测量。在向测量全息图施加傅里叶变换的操作之后，获得颗粒的图像。“

以这种方式获得计算渲染的图像已经揭示了关于单个粒子的大小、形状和散射特性的信息。然而，通过将粒子的形状与其散射模式(散射模式因观测角度的不同而不同)联系起来，Berg博士的团队可以完成最后一块拼图:直接测量大尺寸气溶胶粒子的详细尺寸、形状和散射。

为此，他们对其数字全息设置实施了一个进一步的修改。除了红色全息图产生激光之外，它们还将重叠的绿光源加入到设置中，过滤以将其光的相对较弱的散射部件与远更亮，未准备的光。然后，仅允许散射的光到达CCD传感器，其中与由红色梁产生的全息基粒子图像进行比较。最终，这允许研究人员直接将气溶胶的角度依赖性散射模式与其形状和尺寸联系起来;这可以提供有关其辐射强制的有用信息。

建立哈皮神
在实验室中证明了这种技术的成功，Berg和同事博士，下一步旨在将基于实验室的数字全息设置集成到能够在大气中学习粒子的设备上。为了便宜地这样做，该团队使用无人机来携带气溶胶成像设备，使它们能够从地面运行在空中的设置。从仪器的重量产生略微困难，但该团队通过使用聚合物材料设计和3D打印其仪器所需的部件来解决问题。

到目前为止，实验已经取得了成功，因为伯格博士描述了：“我们已经建造了一种仪器，该仪器从无人驾驶飞行器（UAV）中执行气溶胶颗粒的全息成像。UAV仪器称为全息气溶胶粒子成像仪（HAPI），“他说。在不到5kg的情况下称重，初始测试表明，HAPI可以自由地将气溶胶颗粒自由流动，小于10微米。

HAPI可用于对我们的农场和城市周围普遍存在的气溶胶进行首次深入研究。

在这些初步示范之后，研究人员现在希望利用HAPI进行常见于我们农场和城市常见的气溶胶的第一个深入研究。“HAPI正在用于揭示农业和城市环境中大气溶胶颗粒的尺寸和形状特征，”伯格博士解释道。“在气溶胶科学中，像素一样的大颗粒，其标称大于1微米的微米，称为粗型气溶胶（CMA）颗粒。”通过这些研究，HAPI可能用于建立这些CMA粒子在尺寸和形状中如何变化的第一个统计描述。

改善气候模型
伯格博士的团队设想，他们的工作可以帮助其他人弥合一个重大的科学鸿沟:了解大型气溶胶粒子在大气动力学中扮演的角色。大量的cma主要是由自然来源产生的(如风传尘埃、浪花、生物气溶胶)。然而，关于这些粒子如何通过辐射强迫影响大气的知识仍然相当缺乏。

“HAPI对图像CMA颗粒的新能力很重要，因为这些颗粒构成了气氛对气氛对气候的辐射影响的主要来源，因此需要对气候建模努力所需的气候和尺寸，”伯格博士结束。

考虑到人类对地球大气的影响已经得到更广泛的认识，伯格博士和他的同事们的工作是及时的。通过未来HAPI或类似仪器收集的数据，研究人员很快就能更准确地将CMA粒子的影响纳入他们的气候模型。有了这样的洞见，气候学家可能能够更好地理解cma导致大气变化的程度，为我们继续应对气候变化提供潜在的关键信息。