闰秒又双叒叕要来了,就在明天!

作者:李孝辉(中国科学院国家授时中心)

一小时60分,一分钟60秒,这是每个人都知道的常识。

但是,千万不能让“想当然”欺骗了你。实际上,一分钟有可能是61秒,也有可能是59秒,这就是闰秒。

2016年的最后一分钟就是61秒(即会出现格林尼治时间2016年12月31日23时59分60秒,北京时间2017年1月1日7时59分60秒的情况)!上一次闰秒的出现在北京时间2015年7月1日的7:59分。

时隔一年半,闰秒又双叒叕出现了,这究竟是怎么回事?下面,听我来讲一个忧伤的故事……

我们都知道,选定一个公认的起点,按照固定的间隔累计,这就形成了时间。但问题就在于,这个“固定的间隔”里的“固定”,在不同的时期,人们对它的要求是不一样的。

很早的时候,一滴一滴的水滴下的间隔就是固定的间隔,随着科学技术的发展,人们对“固定的间隔”要求越来越高,于是就不断更换更加稳定的固定间隔。

在1960年以前,人们采用地球自转的间隔作为形成时间的基础,这就是世界时,它满足了当时的需要。

后来,人们发现,地球既像一个懒汉又像一个醉汉。说ta是懒汉是因为地球越转越慢,35年慢了约4毫秒,说ta是醉汉是因为地球的自转是忽快忽慢的。最后,人们对这个固定间隔失望了,因为它只能达到1E-7的精度。

有需求就有发展,人们很快就发现了更加准确的“固定间隔”——量子跃迁的周期,并作出了原子钟,然后根据原子钟又定义出了原子时。

时间的定义改为原子时之后,原子时精度比世界时高出上千倍甚至上万倍。原子时取代世界时,你一定会认为这是理所当然的,但答案是否定的,有人反对了。

反对的是测绘、深空探测、航空、航海等领域的人,他们要对太空或者地球进行观测,希望能知道地球什么时间在什么位置,这种情况应用世界时是最好的,因为世界时就是根据地球自转得到的,世界时的时间严格反映了地球的自转。于是,这些领域的人,成为了世界时的拥护者。

但是,也有另外一些场合,像电子、通信等行业,这些人根本不关心地球转到什么地方,他们只需要均匀的时间间隔,时间越均匀、越稳定越好,他们认为,原子时是最好的时间。

就这样,这两帮人吵了起来,到底要满足谁呢?

不得不说,用原子时还会有另外一个问题,由于地球自转变慢,按照现在的速度,5000年差一个小时!三万年以后,原子时的24小时对应世界时的30小时,于是有的时候,会出现午夜零点太阳就升起来的情况。

这可给科学家出了个难题,有人用这,有人用那,到底该怎么办?最后,他们想到了一种和稀泥的办法。

需要世界时的人需要的是世界时的时刻,需要原子时的人需要的是原子时秒长的均匀性,那么,我们就创造一种兼有这两种时间优点的时间尺度好了,于是,一种新的时间尺度——协调世界时(UTC)出现了。

协调世界时的产生要注意两个方面:原子时的秒长和世界时的时刻。

刚开始的时候,假定原子时、协调世界时、世界时三者基本重合。协调世界时将秒长固定为原子时的秒长,这样,保持了原子时秒长的均匀性。

不过,由于世界时秒长较长,协调世界时的秒和世界时的秒差别会越来越大,于是,科学家们想出的解决办法是,等到第5秒,两个时间的时差在0.9秒附近时,令协调世界时多走出5~秒,这样,协调世界时的第六秒和世界时的第六秒又会基本重合一起。

如此操作,协调世界时的秒长忠实的反映原子时的秒长,但规定协调世界时的时刻与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒,就在协调世界时中加上1秒或者减去1秒,使用这种方法来缩小两者差距。

正常情况下,一分钟是60秒,从第0秒到第59秒,然后进入下一分钟的第0秒。如果增加闰秒,一分钟是61秒,第59秒后将出现第60秒,然后再跳到下一分钟的第0秒。一般设置闰秒是在协调世界时年末12月31日或者年中6月30日的23点59分59秒后插入一秒,对应北京时间下一天的7点59分59秒。

经过这样的调整,世界时和协调世界时两者的差在0.9秒以内,它们与国际原子时(TAI)的差逐渐增大,到2015年6月30日,它们的差改为36秒。现在,它们的差又快到0.9秒了,因此,需要在今年的最后一分钟再增加1秒,到这以后,它们的差就会变成37秒了。

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牛顿曾痴迷于炼金术?——炼金术与现代科学

作者:金曼玉(中国科学院长春应用化学研究所)

在狭窄的后街小巷和拥挤的地下室里,杂物堆积、浓烟滚滚……这是十六世纪的欧洲炼金实验室里经常能看到的画面。

在距维也纳大约50公里的一座名为奥伯斯托克斯脱的城堡里,人们发现了一间目前保存最为完整的文艺复兴时期的实验室。城堡的历史可追溯到十四世纪,建造和使用这间实验室的是当时的教区牧师冯·特伦巴赫。

考古学家从中发现了许多大小不同、类型繁多的专用容器,它们多多少少都留有一些“化学痕迹”。这些古老的实验器具与中世纪和文艺复兴时期的炼金术文本中描述的如出一辙,而这些文本,几乎就是现代实验记录的翻版——上面写满了只有实验者本人看得懂的“秘密语言”。

人类的“黄金梦”

炼金术,顾名思义,就是炼制黄金的技术。人们曾梦想通过一种“化学”方法,将随处可见的普通金属变成珍贵的黄金。

从古至今,人们对“人造黄金”的追求从未停止过。古希腊神话中,有一个国王叫迈得斯,他从主神宙斯的儿子代俄耐索斯那里得到一件神奇的礼物——任何东西一经与其接触,就立刻变成黄金。

对金的追求,使得人类在元素发现之旅迈出了突破性的一步。

在古希腊,金是神的皮肤,印加文明认为,金是太阳的汗水,而在炼金师看来,金就像圣杯,拥有精神、魔幻甚至医药特性。此外,金还是权利的象征、太阳的颜色。几千年来,金不仅用来制成皇冠和钱币,还用来装饰宫殿和寺庙。

炼金术的“副产品”

在还不知道何为元素时,有些炼金师便自发地认为,元素藏在其他物质中。正是在这种理念的指导下,一位炼金师通过不懈的追求成为发现新元素的第一人。

在昏暗、气味难闻的汉堡地下实验室,波兰特打算从人体的“金色液体”——尿中提取金,通过对尿液进行煮沸等处理,他没有如愿得到金子,却偶然间发现了一种新的元素——磷。

另一位炼金术士,帕拉塞尔苏斯,同时也是中世纪欧洲著名医生,他敢于挑战当时的传统,赋予了炼金术另一个具有决定性的意义。

他认为,炼金术的目的并不在于发现制造金子的方法,而在于用它配制出治疗疾病的药。

他提出硫、汞、盐三元质的说法,认为人的疾病系由这三元质比例失调所致。他利用其丰富的用药知识,主张努力寻找各种疾病的有针对性的药物,反对滥用复方,强调自然的治疗能力,反对有害的治疗方法。

他别致的医学思想对当时和后世都有着重要的影响。在不断游历和抗争的48年生涯中,帕拉塞尔苏斯为后来“医药化学”的形成留下了大量珍贵的医学方面的手稿。

“最后的炼金术士”——牛顿

如果以上两位炼金术士还鲜有人知的话,那么一谈起“最后的炼金术士”,你一定如雷贯耳,著名的“苹果的故事”甚至让小学生都对他的事迹耳熟能详。

你猜得没错,这个人就是牛顿,一个在近代科学史中举足轻重的人物。

在大家心里,牛顿一直是理性和科学的化身,我们似乎很难将他与非理性的“炼金师”联系在一起。但随着二十世纪大批手稿的拍卖和研究,他的另一面也渐渐暴露在世人面前——沉迷炼金术,英国作家迈克尔·怀特就曾在自己的书中提到这一事实。

不只牛顿,同时代的许多伟大科学家如巴罗、波义耳和巴宾顿等人也同样痴迷炼金术。他们在“重新发现自然构架”的驱使下,不约而同地投身于这个神秘领域,互相学习又互相竞争,谁也不肯屈于人后。

在那个时代,即使伟大如牛顿,也无法真正区分科学与歧途。少年时期由药剂师邻居引起的兴趣,使得牛顿开始修习化学,并且不可救药地转移到研究炼金术的道路上,而且在不断的失败与探索中越走越远。他辛苦钻研几十载,然而令人遗憾的是,其成果见解和辛苦搜集的所有炼金文献却在一场大火中毁灭殆尽,留给后人无限的遐想和反思。

“点石成金”和“永生”

中世纪时,炼金术通过阿拉伯著作的欧洲语言译本传到了欧洲。

在欧洲公众的心目中,炼金术难免与妖术、旁门左道和魔法发生关系,人们对炼金师最初的印象也大多是巫师或术士。炼金术士被视为最有可能和魔鬼结盟的邪恶人物,文学作品也反映了人们的这一认知,其中最有名的是浮士德博士。

除了“点石成金”的幻想,人们还一度奢望“永生”。

炼金术在中国古代叫炼丹术,秦始皇在统一六国之后曾派徐福带领千名童男童女入海寻找长生不老药。英明一世的亚历山大大帝也愚蠢地为了长生放下功业,与探险家去寻找传说中的“青春之泉”、供养炼金术士以制造其认为能抗老化的黄金。

这些不切实际的想法都让后人给炼金术士盖上“欺骗”和“荒诞”的印章。但也有学者认为,正是因为炼丹,中国的炼丹家首先发现了砷元素。他们当时利用的正是我们熟知的毒药——砒霜。

虽然现代科学证明炼金术是错误的,但它却开启了近代化学科学的序幕。通过炼金术,人们积累了化学操作的经验,发明了多种实验器具,认识了许多天然矿物。不仅如此,炼金术的哲学化、艺术化风格还使它成为一门神秘而复杂的学问,其映射出的宗教和人性也一直吸引着现代学者不断地进行探求。

人类曾经陷入真理与谬误的漩涡,但从某种程度上来讲,真理却是建立在谬误之上的。拨开迷雾的过程是曲折且艰辛的,没有前人的凿石摊铺,又怎会有如今的平坦大道。

参考文献:

1、焦志忠,“点石成金”梦的实现.知识就是力量,1994,7,15

2、刘建萍,炼金师的实验室.大自然探索,2005,12,20

3、王雪松,牛顿:最后的炼金术士.科学大观园,2016,6,8

4、雷素范,周开亿,帕拉塞尔苏斯.光谱实验室,1990,5,15

5、R·D·海恩斯,郭凯声,文学作品中的科学家形象,世界研究与开发报导,1990,5,31

6、杜以会,肖夏,我们能长生不老吗.科学之友(A版),2008,4,1

7、赵匡华,张惠珍中国炼丹家最先发现元素砷.化学通报,1985,10,28

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火腿腊肉易致肠癌,硝酸盐真有这么可怕?

作者:鲁闻生(中国科学院化学研究所)

近日在朋友圈里看到一篇文章,文中提到“香肠、火腿、腊肉等食物都含有硝。一些饭店里更是用硝酸钠代替味精,制作色香味俱全的菜肴。而硝酸钠有1/27的机会被吸收变成亚硝胺,一旦进入肠胃,即能致癌。”因此,该文号召大家:火腿、香肠、腊肉以及高汤等就不要多吃了,“吃多了,也就完了”。

那么,对于喜欢大快朵颐的人而言,在日常生活中,他们是否真的进食了大量的硝酸钠呢?硝的致癌性真的这么强悍吗?

香肠、火腿、腊肉都含硝,真的吗?

查阅《食品添加剂使用卫生标准》等资料不难发现,标准中确实有将硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠、亚硝酸钾作为护色剂和防腐剂用于制备火腿、腊肉的依据,不过我们经常看到的一些火腿、熏肉的食品标签上,常常标写的是亚硝酸钠。

而亚硝酸盐作为食品添加剂的使用历史由来已久。

在肉制品加工工艺中,添加亚硝酸盐可以与肉制品中的肌红蛋白反应生成亚硝基肌红蛋白,使瘦肉呈现出鲜艳的玫瑰红色,明显提高肉制品的感官质量,这就是肉制品加工中的发色工艺;另外,亚硝酸盐还具有抑制微生物和细菌生长的功效。正因为有这些作用,亚硝酸盐一直为食品加工业所青睐。

1/27,究竟有多大概率?

最初看到文中提到的亚硝胺这个词时,笔者的心里还是感到微微一震的。要知道,亚硝胺和苯并芘、黄曲霉素都是世界公认的致癌物质。因此,如果真像那篇文章的作者所说,硝酸钠有1/27的机会被吸收变成亚硝胺,那确实是值得引起警惕的。

可是,转念一想,1/27的概率,作者是怎么得出来的呢?要知道,人体中涉及到的化学反应,是不能完全套用实验室里在烧瓶等反应容器中,采用化学计量法,精确投入反应原料、严格控制反应温度和时间等参数所得出的产率的。

如果按照物理化学中关于反应动力学和反应热力学的理论来看,可以发现反应条件中所涉及到的原料、pH值等在人的个体中均有变数,不可一概而论。

简单点说,就算个人真的食用了含有微量硝酸钠的食物,在硝酸钠向亚硝胺转换的过程中,还需要其他化合物的帮忙,才能使反应得以进行。

其大体转化途径是:硝酸盐被还原为亚硝酸盐,然后和胺类化合物结合生成亚硝胺。而这些反应发生的地方则是人体的消化器官,亚硝酸盐生成的难易程度、胺类化合物的含量高低以及pH值等均有较大差异。

硝酸钠、亚硝酸钠和亚硝胺

亚硝酸盐到亚硝胺,转化真这么容易?

那么,有没有可能,食品中的硝酸钠在进入人体之前就已经转变成亚硝胺了呢?这个是有可能的,无论是在肉食还是各类蔬菜以及其他的饭菜中,都有这种可能。此时,反应场所变成了食品本身,同样受温度、原料以及其他条件的限制,不能一概而论。

我们在前面已经提到过,致癌的不是亚硝酸盐而是在特定条件下产生的亚硝胺物质。在人们的日常膳食中,绝大部分亚硝酸盐会像“过客”一样随尿排出体外,只是在特定条件下才转化成亚硝胺。

所谓特定条件,包括酸碱度、微生物和温度。所以,通常条件下膳食中的亚硝酸盐不会对人体健康造成危害,只有过量摄入亚硝酸盐,才会对人体产生危害。而大量地摄入亚硝酸盐,往往直接导致中毒,而不是癌症。

亚硝酸盐导致的急性中毒事件近几年也常有报道,发生的原因多是误食误用,或者是一些地下加工黑窝点不了解亚硝酸盐使用方法而在加工中滥用。

亚硝酸盐的安全摄入量是多少?

一般而言,摄入0.3~0.5克的亚硝酸盐即可引起中毒。根据我国的《食品添加剂使用卫生标准》(GB2760-2007),亚硝酸盐在腌腊肉等制品中仅允许有微量残留,限量为30毫克/千克(以亚硝酸钠计),西式火腿类最高残留量也不得超过70毫克/千克(以亚硝酸钠计)。

对于非有意添加、自然生成的亚硝酸盐,《食品中污染物限量》(GB 2762-2005)的国家标准规定限量一般为3毫克~5毫克/千克,酱腌菜的限量最高也仅为20毫克/千克。

毋容置疑的是,长期食用亚硝酸盐含量超标的食品,或直接摄入含有亚硝胺的食品,有可能诱发癌症。但这并非表示香肠、腊肉、火腿等食品以后就不能愉快地享用了。尤其是那些卫生合格的食品,还是可以放心食用的,需要警惕的是那些不符合食品卫生标准的食物,对于它们,不是要少吃,而是坚决不要去吃。

为了保证居民的食品安全,联合国粮农组织(FAO)/世界卫生组织(WHO)食品添加剂联合专家委员会(JECFA)建议,硝酸盐和亚硝酸盐的每日允许摄入量(ADI)分别为0~3.7毫克硝酸根离子/千克体重和0~0.07毫克亚硝酸根离子/千克体重。

好了,疑惑已经解除了,现在你就可以根据体重算一算自己可以摄入的量了。

参考文献:

(1)《食品添加剂使用卫生标准》(GB2760-2007)

(2)《食品中污染物限量》(GB 2762-2005)

(3)http://apps.who.int/food-additives-contaminants-jecfa-database/chemical.aspx?chemID=709

(4) Nitrate and Nitrite in Drinking Water: A Toxicological Review. Encyclopedia of Environmental Health, 2011, Pages 137–145.

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厉害了word合成气!肥料、汽油…都能转化生成

作者:姜秀美(中国科学院大连化学物理研究所)

能源是一切物质需求之首,我国能源结构特点为富煤少气缺油,煤炭作为主要能源的状况在未来较长时期内不会发生根本性改变。如何将煤和天然气等非石油资源高效清洁地转化为必需化学品和燃料,对我国具有极为重要的战略意义。

我们都知道,一氧化碳分子由一个碳原子C和一个氧原子O构成,氢气由两个氢原子构成,均为极其简单的分子。不过,以一氧化碳和氢气为主要组分的混合气体——合成气,却大有用途。

合成气是用于生产合成液体燃料、合成氨和甲醇的中间体,故名为合成气。生产合成气的原料广泛,从煤、生物质、粪肥到焦炭、天然气等,几乎所有含碳氢的物质都可以经过气化生成合成气。

由于原料来源不同、气化方式不同(与水蒸气、二氧化碳或是氧气反应),一氧化碳和氢气的比例也不同,因此合成气中会含有二氧化碳等其它杂质。

催化剂的作用

随着科学技术的发展,合成气已经成为煤、天然气、生物质等资源高效清洁利用的重要场所。合成气可以转变为经济发展和人民生活所需的烯烃、汽油、柴油、蜡和醇等一系列重要基础化学品和清洁能源。

然而,在常温常压条件下,合成气中的一氧化碳和氢气是稳定的,不会发生变化。一旦将合成气通入到催化剂上,在一定温度条件下,催化剂即可催化这些气体分子发生反应。

催化剂(catalyst)这个词来源于希腊文,其含义是“松弛”,Catalyst翻译成“触媒”,字面上的含义就是 “媒人”。催化剂在反应过程中不被消耗而只是作为“媒人”把反应物聚集到一起,使反应物之间发生变化,这位“媒人”的能力与其特质(即催化剂的组成和结构)相关,可以直接决定反应以何种速率、何种方式进行,即反应的快慢和最终产物分布。

下面以三个工业乃至社会发展历史中极其重要的过程:合成气制氨、合成气制液体燃料(如汽油)[1]以及正在研发的合成气制低碳烯烃的新技术为例,介绍合成气小分子的大用途。

合成气制氨

早在1913年,人们就已经开始从合成气中生产氨,现在氨已成为最大吨位的化工产品。全球氨产量的80%用作农业肥料的生产,通过氨获得的农业肥料可以使粮食增产超过40%。

Haber-Bosch 发明的催化合成氨技术被认为是20 世纪催化技术对人类的最伟大的贡献之一。从20 世纪初该技术发明到现在,地球上的人口增长了4.5 倍,而粮食的产量却增长了7.7 倍。如果没有这项发明,地球上将有50%的人不能生存,我国也不可能以占世界7%的耕地养活占世界21%的人口[2]。

由于合成氨反应的重要意义和巨大的挑战性,这个反应无论在基础理论研究还是实际工业应用方面都得到了物理化学家广泛的关注和研究,诺贝尔奖也曾三次授予研究合成氨相关领域的科学家。

从化学反应方程式来讲,这种反应非常简单,只需要空气中的氮气与合成气中的氢气转化为氨。但要实现这一反应却非常不“顺利”,这是因为合成氨反应是一个体积缩小的放热反应,从热力学角度来说,低温高压更有利于氨气的生成;但从动力学角度考虑,在低温下反应速率极慢以至于无法观察。

1901年,法国化学家Henry Louis Le Châtelier尝试在高温高压下,利用铁做催化剂,混合氮气和氢气。然而,由于实验装置混入空气,实验室发生了剧烈爆炸,几乎使他的助手丧命。这次事故使他放弃了这项研究,导致他与合成氨反应的发明擦肩而过,却也成就了最终的合成氨之父,1918年诺奖获得者——Fritz Haber。

Haber是从1904年开始研究合成氨的,他与1920年诺贝尔奖获得者Walther Nernst提出600度高温和200bar高压下合成氨反应的产出和反应速度最适合工业要求。在BASF(一家德国化工企业)的支持下,1913年,路德维希港北边的OPPAU合成氨工厂根据他俩的研究结论实现了一天30吨合成氨的生产,从而打开了工业化大规模生产合成氨的新篇章。

我国的合成氨生产情况又是怎样的呢?

在合成氨生产过程中,原料气氢的制造、净化是关键技术之一,直接影响着合成氨工业的技术水平。1965年,大连化物所受化工部委托,承担了“合成氨原料气净化新流程三个催化剂”的研制任务。

“三个催化剂”项目的成功使我国合成氨工业从四十年代的水平一跃至六十年代的国际先进水平。相关成果在1966年被列为国家经委、科委、化工部、中国科学院、高教部联合表彰的建国以来16项化工先进技术之一,并于1978年获全国科学技术大会奖。

合成气制液体燃料

以合成气为原料生产汽油等液体燃料技术是1923年德国科学家 Franz Fischer (费舍尔)和Hans Tropsch(托普希)发明的,故称费托合成(Fischer-Tropsch synthesis,简称为FTS)。

1936 年,这项技术首先在德国实现工业化,到1945年为止,德、法、日、中、美等国共建了16套以煤基合成气为原料的合成油生产装置。50年代时,南非由于受到国际制裁,被迫利用丰富的煤炭资源发展煤制油工业,陆续建立了3座基于FTS技术的大型煤基合成油厂,年产700万吨。70年代的石油危机让世界再度关注起费托合成油。

费托合成技术是转化煤炭或天然气为液体燃料最有效的方法,即CTL(煤制油)和GTL(天然气制油)生产液体燃料的关键技术。

上世纪50年代,大连化物所在合成液体燃料方面进行了大量的工作,研制出合成气制液体燃料的高效熔铁催化剂,乙烯及三碳以上产品产率均超过当时国际最高水平,并与抚顺石油设计院和石油六厂合作进行中试,取得了阶段性成果。

2006年,利用中科院山西煤炭化学研究所自创技术,煤化所牵头联合产业界伙伴共同出资组建成立了中科合成油技术有限公司,实现了中国的煤炭间接液化技术的真正产业化。

该技术将合成气引入填充催化剂的反应器进行反应,根据不同的反应温度得到不同的合成油产品。在高温(330-350℃)下反应,主要产品是汽油和烯烃,低温(180-250℃)下反应,主要生成柴油和蜡。

2011年神华宁煤集团采用我国自主开发的中科高温浆态床煤制油工艺技术建设国内最大的400万吨/年煤制油商业装置,目前自主技术正在实施近1600万吨/年产能的商业装置的建设[3]。

合成气制烯烃

中国甲醇制烯烃技术的发展

以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃(碳原子数小于或等于4的烯烃)是非常重要的基本有机化工原料,以其为原料可以生产诸如塑料、橡胶等高分子材料,通过各种化学反应,可以合成种类繁多的化工产品。其应用遍布国计民生的各个领域,因此低碳烯烃在整个石油化工产业中占有极其重要的地位。

随着我国经济的快速增长,低碳烯烃市场供不应求。目前,低碳烯烃的生产主要采用轻烃(乙烷、石脑油和轻柴油)裂解的石油化工路线。由于全球石油资源的日渐减少,低碳烯烃的生产原料将成为越来越大的难题。因此,低碳烯烃的生产工艺和原料多元化是不二的选择。

近年来,甲醇制烯烃技术的发展为乙烯、丙烯的生产技术注入了新的活力。2010年,大连化学物理研究所自主知识产权的甲醇制烯烃技术首次实现了商业化运转。截止2016年12月25日,甲醇制烯烃技术已签约合同18个,拟建设生产装置20套,预计建设规模达到烯烃年产能1126万吨;其中已投产装置12套,烯烃的累计年产能646万吨。

这些技术可以摆脱烯烃生产对石油资源的依赖,特别适合中国富煤少油的能源国情,能够大幅度提高中国烯烃消费的自给率,对减少原油进口量,降低我国石油对外依存度具有积极的意义。

高能耗的费托合成技术

由于具有技术路线短的特点,合成气直接转化制烯烃引起广泛关注,新的烯烃合成技术也在积极地探索和发展。其中研究较多的仍是基于费托合成技术,即通过改变催化剂的组成和结构,以增加烯烃产物的选择性。

然而,费托合成技术通常是在铁、钴等还原态的金属表面上进行,CO分子首先被活化解离(直接解离或者氢助解离),生成表面C原子和O原子,C原子和O原子与吸附在催化剂表面的氢发生反应,形成亚甲基(CH2)中间体,同时放出水分子。

亚甲基中间体在开放的金属催化剂表面通过迁移插入进行自由聚合,即表面聚合反应,可生成含不同碳原子数(从一到三十,有时甚至到上百个碳原子)的烃类产物,导致目标产物的选择性低[4-7]。

下图为典型的费托反应产物符合Anderson-Schultz-Flory (ASF)分布规律[8],整个反应烃类产物碳原子数分布广,其中含2个至4个碳原子数的烃类产物选择性最高为58%。

同时,这一过程需要消耗大量氢气来移去金属催化剂表面CO解离生成的O原子,而这些宝贵的氢气是通过水煤气变换(CO+H2OH2+CO2)获得的,水煤气变换过程是一个高能耗的过程,还要释放出大量二氧化碳。

合成气直接转化的新路径

在甲醇制烯烃技术的商业化运转的同时,大连化物所一直孜孜不倦地探索合成气直接转化制烯烃的技术,并于最近取得了突破性进展。研究人员创造性地采用一种新型复合催化剂,可催化合成气高选择性地一步反应获得低碳烯烃,颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的费托路线,创建了一条新路径OX-ZEO。

该过程中CO分子在部分还原的金属氧化物催化剂的氧缺陷位上吸附并解离,气相氢分子选择性地与解离生成的C原子反应生成亚甲基自由基,而催化剂表面CO解离生成的氧原子倾向于与另一个CO反应,形成CO2。

与传统的费托过程不同,在氧缺陷位产生的亚甲基自由基,不在催化剂表面停留或发生表面聚合反应,而是迅速进入分子筛孔道,在孔道限域环境中进行择形偶联反应,定向生成低碳烯烃[9]。

该新技术巧妙地实现了CO活化和中间体偶联等两种催化活性中心的有效分离,把传统费托技术上“漫无目的、无拘无束”生长的“自由基”控制在一个“笼子”(分子筛)里。通过限制其行为,使其最终变成我们想要的目标产物(低碳烯烃)。通过对分子筛孔道和酸性质的调控,可以实现产物分子的可控调变。

同时,该技术破解了传统催化反应中活性与选择性此长彼消的“跷跷板”难题,为高效催化剂和催化反应过程的设计提供了指南。

新技术以CO替代H2来消除烃类形成中多余的氧原子,避免了消耗更多的氢气,在反应不改变CO2总排放的情况下,摒弃了高耗能和高耗水的水煤气变换反应,从原理上开创了一条低耗水(结构上没有水循环)进行煤转化的新途径。

现代科学技术的发展,以合成气为原料的合成氨、合成油、烃类化工生产技术均已投入商业运行。然而,随着经济的高速发展,作为能源和化工基础的石油资源的逐渐枯竭,人们对生态和环境优化意识的不断增强,能源和化工过程正向着高效、低碳、绿色和环境友好的方向进行重大变革。

摆在科学家们面前的首要任务是如何使催化反应在更高的活性、更高的产物选择性和能在更低的温度下发生;要求催化过程产生更少的废弃物,造成更小的环境影响。

因此,催化剂的理性设计,实现合成气小分子化学键的高效活化,就如拼积木一样,要按照设计者的目标进行定向排列重组,真正能“随心所欲”地控制生产所需要的化学品和燃料,实现煤化工和天然气化工过程的绿色化。

参考文献

[1]D. Bell. 煤气化及其应用. 北京:科学出版社,2011

[2]刘化章. 合成氨工业:过去、现在和未来-合成氨工业创立100周年回顾、启迪和挑战.化工进展[J].化工进展,2013,32(9):1995-2005.

[3] 相宏伟,杨勇,李永旺,中国科学:化学, 44 (2014) 1876-1892.

[4] R. Snel, Catal. Rev. – Sci. Eng. 29, 361-445 (1987).

[5] G.P. Van der Laan, A. A. C. M. Beenackers, Catal. Reviews-Sci. Eng. 41 (1999) 255-318.

[6] Q. Zhang, W. Deng, Y. Wang, J. Energy Chem. 22 (2013) 27-38.

[7] H. M. Torres Galvis et al., Science 335 (2012) 835-838.

[8] I. Puskas, R. S. Hurlbut, Catal. Today 84, 99-109 (2003).

[9] F. Jiao , J. Li , X. Pan , et al. , Science 351 (2016) 1065–1068 .

[10] de Jong, K. P. Science 2016, 351 (6277), 1030.

[11]http://cen.acs.org/articles/94/i10/Improved-route-syngas-lightolefins.html

[12]Wang, Y. Journal of Energy Chemistry 2016, 25, 169.

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细思极恐!为何长时间看同一个字会越看越陌生?

作者:袁杰(中国科学院心理研究所)

生活中,不知你是否遇到过下面这样的情景:当你长时间盯着某个字看的时候,你会感觉这个字不像一个字甚至不认识了。再比如,你把自己的名字抄写100遍,你抄着抄着可能会慢慢感觉写错了又感觉没有错……这究竟是怎么回事儿呢?

汉字的“字形解体”现象

早在1994年,台湾的郑昭明教授就对发生在汉字上的这一现象进行了研究,并将其命名为字形解体或字形饱和(Orthographic Satiation)。

郑教授采用自我报告(Self-report)的实验方法来验证自己的假说。实验中,郑教授在电脑屏幕上给志愿者呈现各种不同字形结构的汉字,要求志愿者一直看着一个一个相继呈现的汉字,并且让他们在感觉汉字的字形解体时快速按下一个键进行“自我报告”,这样每个字从开始呈现到发生解体所花的时间就可以被记录下来。

实验发现,左右结构与上下结构的汉字字形解体所需的时间(平均26秒)比独体字与全包围结构的汉字所需的时间(平均31秒)更短。

此外,实验还发现,偏旁读音与整字读音不相似的汉字(比如“若”)比两者相似的汉字(比如“理”)解体速度更快;但是偏旁语义与整字语义相似与否(比如“河”)则对汉字的字形解体速度没有影响。

1996年,日本学者二濑由理(Yuri Ninose)与行场次朗(Jiro Gyoba)也对日文中的汉字(Kanji)中的类似现象进行了研究,并将其命名为完形崩溃(Gestaltzerfall)。

完形(Gestalt)也被称为格式塔,是德文词“整体”的音译;完形崩溃也就是汉字整体的崩溃。

针对英文的研究——语义饱和

这种“字形解体”或者“完形崩溃”是汉字独有的现象吗?

其实在1907年,伊丽莎白·塞弗伦斯(Elizabeth Severance)与玛格丽特·弗洛伊·沃什伯恩(Margaret Floy Washburn)就对英文中的类似现象进行了开创性的研究。

玛格丽特是心理学史上的第一位女博士,她的这项研究招募的志愿者也都是女性。她们让志愿者观看每个单词三分钟,然后报告自己的感受。此后,还有研究者让志愿者大声重复朗读单词,也观察到了单词词意丢失的现象。

1962年,加拿大麦吉尔大学的研究者里昂·雅克布维茨(Leon Jakobovits)在其博士论文中首次将英文中的这种现象命名为语义饱和(Semantic Satiation)。

研究方法的突破——内隐实验方法

语义饱和现象发生在语义加工阶段吗?

早期的研究大多采用主观的自我报告方法,这些方法不是很严谨,志愿者可能会做出迎合研究者实验目的的反应。

之后,心理学家便开发出了更严谨的方法——内隐实验方法。内隐的实验方法很好地体现了心理学研究的精髓,可以巧妙地把研究目的隐藏在实验任务的背后。这样,志愿者就无法猜到研究目的,他们的行为反应也就能更准确地反映出他们的心理过程。

比如,2010年,当时还在美国马里兰大学的田兴博士与加州大学圣地亚哥分校的大卫·休伯(David Huber)教授进行的研究就是内隐实验方法的绝佳例证。

他们研究的问题是,英文中的语义饱和现象是不是真如名称所言,发生在语义加工阶段?有没有可能发生在其他的加工阶段,比如,字形加工阶段?

我们在学会一门语言后,当我们阅读这门语言中的文字时,会感觉自己一下子就了解了词意。但是,如果我们像回放球员射门的慢动作一样,把这个理解词意的过程逐渐放慢,我们就可以看到这个理解过程至少包含三个阶段:字形加工阶段、字形与语义的联结阶段、语义加工阶段。

田兴博士与休伯教授的研究

如果把语义加工比作飘在空中的米老鼠气球,那么字形加工就是兴高采烈地走在街上的小朋友,字形加工与语义加工通过一根绳子联结着。

田兴博士与休伯教授怀疑英文中的语义饱和并不一定只发生在语义加工阶段,也可能发生在字形加工阶段,或者也可能是两者中间的那根绳子“断了”。

他们设计了三个实验,每个实验都重复给志愿者呈现一个词对。

实验一呈现的是“Flower-Rose”(花-玫瑰)或“Flower-Apple”(花-苹果)这样的配对,志愿者需要判断右边的个例词是否属于左边的类别词;这个实验中既有字形(花的字形),也有语义(花的语义),还有联结两者的绳子。

实验二呈现的是“Apple-Pear”(苹果-梨)这样的配对,任务则是判断这一对个例词是否属于同一个类别(fruit,水果);这个实验只涉及语义(水果),但没有呈现字形,因为语义是通过个例词推断出来的。

实验三呈现的是“Apple-Apple”这样的配对,任务是很简单的词形匹配,判断两个单词是否相同;这个实验不要求进行语义判断,只需要进行字形判断,可以认为主要涉及字形加工阶段。

他们假设随着每一种配对重复的次数越来越多,志愿者看到同一个单词的次数也就越多,如果志愿者逐渐体会到了饱和现象,那么他们判断的速度也会越来越慢。

结果发现,实验一中随着重复次数的增多,志愿者的判断速度越来越慢,指示发生了饱和现象,由于这个实验涉及所有的阶段,因此无法确定具体发生在哪一阶段。实验二和实验三都没有发现饱和现象,分别排除了饱和现象发生在语义加工阶段与字形加工阶段的可能性。

因此,他们认为英文中所谓的语义饱和,实际上是联结阶段的饱和。我们在长时间看一个单词之后,就会导致这个单词字形与语义之间的绳子“断了”。

郑教授研究方法的不足

2011年,在时隔17年之后,台湾的郑昭明教授也开发出了一种研究中文中的汉字字形饱和现象的内隐实验方法。

郑教授给志愿者呈现一个个6行5列的矩阵,每个位置呈现一个双字词,一共30个词,每个词的第一个字都是相同的。其中有一半是真词,比如“收入”;另一半是假词,比如“收富”。真假词的顺序随机打乱。郑教授让志愿者从左到右从上到下依次进行真假词判断,他假设随着每个词的首字重复的次数越来越多,志愿者的判断速度会越来越慢,他据此可以计算出一个饱和指数。

实验结果显示,左右结构汉字的饱和指数高于独体字的饱和指数。这一结果与郑教授1994年首次采用自我报告方法得到的结果一致。

此外,实验中还发现,偏旁语义与整字语义不相似的汉字在饱和指数上高于两者相似的汉字,但是偏旁读音与整字读音相似与否则对饱和指数没有影响。

这一结果却与郑教授1994年的研究结果完全相反:1994年的结果发现,偏旁读音与整字读音不相似的汉字比两者相似的汉字解体速度更快,但是偏旁语义与整字语义相似与否则对汉字的字形解体速度没有影响。

虽然田兴博士与休伯教授2010年的研究与郑昭明教授2011年的研究采用的都是内隐实验方法,遵循的都是随着词语重复次数的增多会逐渐发生饱和现象的逻辑,但是前者的研究巧妙地区分出了语言加工的三个阶段。而郑教授2011年的研究,既涉及到他所声称的字形加工阶段(“收”的字形),也涉及到语义加工阶段,还涉及到两者的联结阶段。所以,他的实验证据无法排除汉字字形饱和发生在语义加工阶段或联结阶段的可能性。

饱和现象实质:文字像气球一样飞走了

最近,笔者采用田兴博士与休伯教授2010年开发出的内隐实验方法,对中文中的字形饱和现象究竟发生在哪一阶段进行了细致的研究。

这次研究也包含三个实验:实验一呈现“省-湖北”或“省-玫瑰”这样的配对,实验二呈现“省-省”这样的配对,实验三呈现“湖北-江西”这样的配对。

实验一涉及语言加工的所有阶段,既有字形,也有语义,还有两者的联结阶段。

实验二的任务要求志愿者仅做字形判断,主要涉及字形加工阶段。

实验三仅涉及语义加工阶段,不涉及字形加工阶段,因为语义(比如“省”)是通过个例词(比如“湖北”)推断出来的。

实验结果发现,实验一中观察到了饱和效应,而实验二与实验三都没有观察到饱和效应,排除了汉字字形饱和发生在字形或语义加工阶段的可能性。因此,实验支持中文中汉字字形饱和现象实际上发生在联结阶段的观点。

这一观点,与田兴博士与休伯教授2010年关于英文中语义饱和现象的研究结论一致。这两项研究也许可以表明,中英文中的饱和现象可能本质上是一致的,都发生在字形加工与语义加工的联结阶段

在不了解这些心理学研究的时候,有人可能会以为这是一种毛病,甚至深深地以为全中国只有他一个人有这种毛病。

而了解了关于中英文饱和现象的最新研究之后,如果下一次你再经历这种现象,不妨想象一下这样的场景:一个小朋友伤心地哭着鼻子,她反复扯着手里的绳子玩儿,不小心把绳子扯断了,米老鼠气球飞跑了。而长时间看着同一个字,字形与语义之间的绳子也会断开,你原本认识的那个字也会像气球一样飞走了。

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圣诞节要到了,聊聊巧克力里的软科学吧

作者:史蕾蒙(中国科学院大连化学物理研究所)

不知从什么时候开始,一到情人节、七夕、圣诞节,无论是在商场、电视还是网购时,总能看到大量的巧克力广告,在大众媒体的宣扬下,巧克力似乎成为了情侣间互送礼物的标配。

关于巧克力,你了解多少?为什么食用巧克力总能给我们带来味觉和嗅觉上的享受呢?

2007年,路易斯博士发起了一项科学调查[1],他分别测量了几对热恋中的情侣们接吻和吃巧克力时的脑部活动和心跳速率,经过对比后发现,巧克力开始在口中熔化时,大脑所有区域得到的刺激比接吻带来的亢奋还要强烈和持久。

研究人员猜测,这可能与巧克力中含有的化学成分相关。

众所周知,巧克力中含有一定量的咖啡因和可可碱,二者均为兴奋剂兼抗氧化剂,同时巧克力中还含有少量的大麻素,这同样能使人们觉得兴奋。

口感的来源——可可脂

巧克力的发明主要归功于人们对结晶的认识与调控,尤其是可可脂的结晶。

可可脂是植物界最精致的油脂之一,外观近似精致的无盐奶油,主要成分是甘油三酯大分子,能以不同方式堆栈形成多种结晶[2]。甘油三酯堆栈越密,可可脂结晶越结实,熔点越高,也就更硬、更稳定。

可可脂的的熔点接近人体体温,平常以固体方式存放,放入口中很快就可以熔化。

当你把巧克力放入口中,巧克力慢慢熔化,在能量的作用下,结晶分子间的原子键被打破,分子自由流动,巧克力从固态变为液态,这个过程称为“相变”。这时,巧克力就会从你的身体吸收能量,吸收的能量称为潜热。而这能量是由舌头提供的,你会感觉舌头凉凉的很舒服,跟咀嚼薄荷一样。

可可脂的质量直接影响巧克力的口感,因此需采用三乙酰甘油的气相色谱法检测可可脂中外加脂肪的含量。同时可通过紫外射线分析法(270 nm)鉴定可可脂结构中是否残留共轭键物质。

可可脂熔化、结晶和固化是影响巧克力物理化学性质的主要因素。β-型变性可可脂具有较稳定的熔点和潜热值,因此在巧克力的生产过程中要尽可能地制造出更多的β-晶核,从而形成稳定的β-型可可脂[3]。

可可脂结晶特性通常采用Shukoff冷却曲线法或通过热流变特性冷却曲线法测量[3]。可可脂硬度的最佳测量方法是使用低分辨脉冲核磁共振技术测量其中稳定的β-晶核,从而推断巧克力在常温下的脆性。

可可脂是怎样形成的?

说了这么多,那么可可脂是怎么形成的?这其中又涉及什么化学原理呢?

我们都知道,可可豆是制作巧克力的原料之一,可可脂的形成自然离不开它的原材料——可可豆。

可可树生长在热带地区,果实藏在大而饱满的豆荚里,每个豆荚里会有三四十颗柔软肥嫩的白色核桃状种子。

在可可豆成熟时,种植者们用柴刀收割可可树的种子,然后扔在地上,任由它们腐烂。随着种子开始腐烂发酵,温度也不断升高,这时可可豆里的成分转变成可可脂。

可可脂是可可豆里的酶让酸和乙醇发生酯化反应的结果,这个过程会受到很多因素的影响,例如成分的比例、环境温度和氧含量等。

气味的来源——焦糖化反应

在可可脂形成的过程中,可可豆里的碳水化合物(主要是糖和淀粉)开始受热分解,碳水化合物会变成焦化糖。只是可可豆的焦化过程发生在豆子里,豆子由白转棕,生成多种具有焦糖味的香气分子。

糖是碳水化合物,糖受热后,长链状的糖分子会断成许多截,有些小到直接蒸发,这就是焦糖化反应,也就是那些好闻气味的来源。

糖的焦糖化反应通常生成2类物质,一类是糖的脱水产物,即焦糖或酱色;另一类是裂解产物,即一些挥发性的醛、酮类物质,它们进一步缩合、聚合,最终形成深色物质。

带来香气的美拉德反应

当可可豆的受热温度更高时,会发生另一反应,影响可可豆的颜色和气味,那就是所谓的美拉德(Maillard)反应。美拉德反应不仅给可可豆带来了坚果香和鲜味,还减少了苦涩感。

美拉德反应是糖和蛋白质的作用,是羰基化合物与氨基化合物在加热过程中发生缩合和聚合反应,形成风味物质及发生褐变的一系列复杂化学反应。

美拉德反应可以分成三个阶段[4]。

初期为氨基与还原糖的缩合,若含有醛糖,则形成N-糖基化合物,然后经Amadori重排,生成氨基脱氧酮糖即单果糖胺;若有酮糖存在,则经Heyenes重排作用异构成2-氨基-2-脱氧葡萄糖。

中期为Amadori重排产物进一步降解。可能有3条途径:果糖基胺脱水生成羟甲基糠醛(HMF);果糖基胺重排生成还原酮;Strecker降解反应。

末期为糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮、醛等进一步缩合、聚合形成复杂的高分子色素。

面包皮、烤蔬菜和许许多多烘烤类食物所散发的香气都是美拉德反应的功劳,少了美拉德反应,世界会乏味许多。

巧克力的发明和工业化生产经历了数百年,从可可豆到可可脂,再由可可脂到你手中美味的巧克力经历了无数的程序。当你享受巧克力的美味时,你是否能想到它背后数百年的努力呢?

参考文献:

[1] 赖盈满.《迷人的材料》,北京联合出版公司

[2] 吴炜亮. [博士学位论文]. 广州: 华南理工大学, 2012

[3] Hans Kattenberg. 中国食品工业, 2001(8): 26

[4] 王一凡. [硕士学位论文]. 上海: 上海大学, 2014

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常吃土豆会长胖吗?

作者:王美慧(中国科学院亚热带农业生态研究所)

去年1月初,国家从战略层面启动了土豆主粮化战略,希望土豆继稻米、小麦、玉米之后,能成为第四大主粮。

土豆在生活中是一种非常受欢迎的食材,特别是我国的北方地区,在反季节蔬菜大棚技术还不普及的那些年代,每到冬季,家家户户都要储存大量的土豆和大白菜用来过冬。

关于土豆的营养价值,有人认为它好吃廉价不长肉,也有人认为它淀粉含量过高,是窈窕身材的天敌。想必不少人都因为这样或那样的说法而在吃与不吃之间摇摆不定,那么问题来了,吃土豆究竟会不会长胖呢?

名声大噪的“巴巴司”

在公元前200年,秘鲁印加古国的印第安人首次种植土豆,并赐予它一个神奇的名字“巴巴司”,随着产量增加,“巴巴司”名声大噪,被人们尊奉为“丰收之神”。

到了21世纪,“丰收之神”已威震全球,从中国的高原到印度低地,从炎炎赤道到乌克兰草原,“土豆”二字无人不知无人不晓。

掀开误区的面纱

在日常生活中,有人把土豆与增肥食物列在一起,认为土豆含淀粉较多,吃多了容易使人发胖。

其实,土豆所含的热量比人们想象的要低,和苹果不相上下,而且其热量中的10%来自比较容易消化的蛋白质类型,食后易产生饱腹感,既可保证人体所需的营养素,又可减少食量,因此,土豆是理想的减肥佳品。

此外,从中医上讲,土豆具有补中益气、健脾和胃、养脑怡神、消炎散结、延年益寿的功效。

土豆中的纤维素细嫩,对胃肠黏膜没有刺激性,所以肠胃病患者吃煮烂的土豆不会给身体带来负担。常吃土豆还可治疗习惯性便秘、皮肤湿疹等。土豆中的钾可使肾脏血管收缩,有利尿作用,因而浮肿、心脏病、肾脏病患者常吃土豆对身体有好处。

世界性的减肥食品

美国营养专家断言:“每餐只要吃全脂奶和土豆,便可得到人体需要的全部营养素。”一句话道出了美国人对土豆的肺腑钟爱!减肥者还有理由怕吃土豆会营养不良吗?

土豆已是世界性的减肥食品。法国营养学家弗朗西马尔罗通过长达15年的研究率先发现,土豆是一种价廉的减肥“良药”。

1988年,法国维勒班市成立了全球第一家马铃薯减肥健美餐厅,目前这类餐厅仅法国就有70多家。随后,意大利、西班牙、美国、加拿大、前苏联等也先后创建了30多家土豆食疗餐厅,“土豆减肥法”蔚然成风。

土豆该怎么吃?

那土豆应该怎么吃才好呢?

首先,要有量的保证,每天吃薯类食品(马铃薯、白薯、芋头)大约在80克左右。其次,是荤素搭配好,只要搭配好,就可以在享受美食的同时,达到保持苗条身材的目的。

对于土豆具体的吃法,专家推荐的是凉拌土豆丝和土豆沙拉,这两道菜最能体现土豆的营养价值。

凉拌土豆丝最好的辅料是柿子椒、尖椒和香菜,而土豆沙拉则应加入一些绿叶菜,达到营养均衡。

不少西方的饮食还用土豆代替谷物,不过根类植物跟五谷毕竟是不一样的,因此不能长期用来代替谷物。应遵循均衡的宗旨,明智地选用食物,从饮食中获得乐趣。

对于洋快餐中的土豆泥、炸薯条,专家认为,土豆泥由于在加工过程中被氧化,破坏了大量VC,使营养成分大大降低;而炸薯条经过反复高温加热,产生聚合物,所以要尽量少吃。

爱尔兰人说:世界上有两样东西不能开玩笑,一个是婚姻,另一个就是马铃薯,其钟情之深不言而喻。中国农业部副部长屈冬玉曾经说过:“土豆是中国农民脱贫致富、实现小康不可或缺的主要食物。”农业部副部长余欣荣更是在马铃薯主食化发展战略研讨会上明确指出了马铃薯主食及产业开发提出的时代背景和重大战略意义。

土豆似乎已成为新时代的宠儿,随着其作用和地位的提升,终有一天,它可能会成为继小麦、稻米和玉米之后的中国第四大主粮作物。

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中国碳卫星究竟有多牛?干货全在这儿了

作者:周立勋 蔺超 张军强(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

在《我国首颗碳卫星即将发射,到太空监测“碳”排放!》一文中,我们讲到为了应对全球气候变化、全面监测全球CO2浓度分布情况,我国即将发射首颗CO2观测科学实验卫星TANSAT,这是继日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星之后的第三颗全球“嗅碳”卫星。

那么碳卫星到底身怀什么样的绝技,才能够让“碳排放”无处遁形?今天让我们一探究竟。

中国碳卫星

身负光荣使命

在节能减排刻不容缓的形势下,为了达到《巴厘路线图》的“三可”量化减排目标(可测量、可报告、可核查)和相应的计量方法,各国政府都迫切希望科学家们能拿出切实可行的测量方法和技术,为全球碳循环的研究提供可信的数据支持。

要在全球和区域尺度获取碳循环研究所需的CO2通量信息,星载CO2探测技术成为“嗅碳”的首要突破点,然而极大的技术难度使目前全球仅有两颗卫星在轨工作。一颗是日本于2009年成功发射的温室气体观测卫星“呼吸”号(GOSAT)卫星,另一颗是美国2014年发射的OCO-2卫星。

2009年,国家遥感中心组织专家组开始中国碳卫星的前期战略研究工作;2011年在863计划的支持下“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目(中国碳卫星)正式立项。项目目标为研制并发射一颗“以高光谱CO2探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷的高空间分辨率和高光谱分辨率全球二氧化碳监测科学试验卫星”,建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统,形成对全球、中国及其它重点地区大气CO2浓度监测能力,监测精度达到1-4ppm。

无所遁形

碳卫星如何监测全球CO2浓度

碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理,CO2、O2等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收,形成特征大气吸收光谱,对吸收光谱的强弱进行严格定量测量,综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素,应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上CO2的柱浓度。

通过对全球柱浓度的序列分析,并借助数据同化系统的一系列模型计算,可推演出全球CO2的通量变化(单位时间通过单位面积的CO2总量),这正是碳循环研究的核心数据基础。

要获取高精度的大气吸收光谱,就要依靠碳卫星的主载荷——高光谱与高空间分辨率CO2探测仪。CO2探测仪采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分,能够探测2.06µm、1.6µm、0.76µm 三个大气吸收光谱通道,最高分辨率达到0.04nm,如此高的分辨率在国内光谱仪器的研制上尚属首次。

一个好汉三个帮,在主载荷之外,碳卫星的另一台载荷——多谱段云与气溶胶探测仪,可以用来测量云、大气颗粒物等辅助信息,为精确反演CO2浓度剔除干扰因素。

除了这些载荷发挥作用外,碳卫星最终要实现全球观测,还需要卫星平台实现灵活的观测模式。

CO2探测仪与卫星平台配合,通过主平面天底和耀斑两种主要观测模式,才能对全球陆地和海面路径上CO2的吸收光谱进行精确测量。为保证在轨获取光谱数据的精度,载荷需要在轨进行对日、对月定标,这也需要卫星平台频繁调整姿态、翩翩起舞。

中国碳卫星绝对是地球之上的灵魂舞者。

当然,仅有卫星是远远不能完成使命的,若要实现最终任务目标,需要多个大系统协调配合。在科技部、中国科学院的共同组织下,碳卫星按照航天工程模式,组成了卫星、运载、发射场、测控、应用五大系统。

碳卫星发射运行后,科学数据将依托风云系列地面接收站资源完成数据下传。这些数据并不是直接可用的CO2浓度分布,需要经过大气物理学家进行高精度的全球CO2分布反演计算,最终才能成为全球CO2观测数据产品并共享发布。

钢铁怎样炼成

CO2探测仪关键技术与突破

CO2探测仪采用三通道光栅光谱仪的方案,选用一块Si-CCD探测器和两块MCT制冷探测器接收3个波段的高光谱分辨率光谱辐射信号,由指向反射镜、望远镜、分束器、三个光栅光谱仪和星上定标组成,0.76μm、1.61μm和2.06μm共3个谱段,分别对大气中的O2和CO2痕量气体进行观测,提供大气温室气体的精细光谱测量结果。

CO2探测仪核心的技术指标和难点就是要同时实现高光谱分辨率和高辐射分辨率,这就如同检查人的指纹,普通仪器只看得到纹理,而CO2探测仪可以把指纹放大一百倍,精细的测量每条指纹的宽度和深度。

为实现核心指标,CO2探测仪突破了一系列核心关键技术。

CO2探测仪通过一块指向反射镜对外部光线进行收集,这块指向镜在设计时被巧妙的设计成“一镜双用”:一面镜面,用于在观测时折射光线;一面漫反射面,在定标时对准太阳,形成漫反射光来定标仪器精度。

巧妙设计的背后是加工制造难度的极大增加,一方面要保证镜面和漫反射面的高精度,另一方面要实现高度轻量化和高可靠性,研究人员经过反复的工艺摸索和大量的空间可靠性试验,最终才完全攻克这项关键技术难题。

CO2探测仪使用的核心分光元件是大面积全息光栅,这种光栅需要极高的衍射效率和面型精度,同时要能够适应苛刻的太空环境。

为突破这项关键技术,科研人员从最基础的、制造全息光栅所需的高精度曝光系统研究出发,一点点攻克技术难点,最终在SiC基底上制造出高精度衍射光栅,并在航空较飞试验中进行了验证。

对于碳卫星上的CO2探测仪来说,还有一项与其他很多星载光学载荷不同,那就是它在轨工作时要保持在-5℃的温度水平,这是为了提高两个红外通道的信噪比、保证光谱探测精度。

这一简单的条件变化,需要科研人员进行所有的组件、整机装调工作时都必须在-5℃条件下,于是,在载荷初样、正样研制最紧张的阶段,研究人员连续数月在低温室里工作,经常是户外30℃以上的高温,而低温室内却要穿着厚厚的羽绒服、冻着手坚持装调。

定标技术是光谱仪器的最终实现精度的关键技术,为保证最终的光谱数据的精准,必须在实验室和在轨工作时对仪器的光谱性能和辐射性能进行精准标定。

CO2探测仪和云与气溶胶探测仪采用了国际最先进的定标技术。为保证实验室定标数据有效性,CO2探测仪必须在真空罐内模拟在轨实际工作状态进行定标,而这一真空定标系统是为CO2探测仪量身特制的。

科研人员还利用可调谐激光器和波长及搭建自动化定标系统,大幅提高了实验室定标的效率,使仪器的定标周期较OCO-2大幅缩短。

而提到在轨定标技术,两台仪器均采用的是多种定标模式交叉比对定标,而且能够实现在轨对日定标,云与气溶胶探测仪还能够进行在轨对月定标,这使得在太空工作状态下,仪器也能有一个稳定的决定定标基准,对于保证仪器最终的数据精度极为关键。

一个好汉三个帮

“配角”也不简单

多谱段云与气溶胶探测仪虽然不是“主角”,但千万别小看它,它可能会给我们带来很多意想不到的收获。

在碳卫星立项论证时,云与气溶胶探测仪只规划了0.38μm、0.67μm、0.87μm、1.64μm四个光谱通道,但随着地面应用系统的不断论证,希望仪器能够增加1.375μm探测通道,并在0.67μm和1.64μm波段实现0°、60°、120°三个方向的偏振测量功能。

为了获取更加丰富的科学数据,载荷研制单位克服困能,重新对仪器进行了设计,按照应用系统的需求增加了相应的探测通道。

增加探测通道后,利用偏振信号对气溶胶敏感而对地表不敏感的特点,可以提取气溶胶光学厚度,然后利用提取的气溶胶信息和标量信号对地表敏感的特点,经过大气订正,得到地表反射率,从而实现对气溶胶和地表反射率的同时反演。

这样不仅可以获取到全球尺度气溶胶数据,还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性,并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

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风云四号上有个特殊载荷,绝对低调、奢华、有内涵~

作者:张鑫(中国科学院国家空间科学中心)

2016年12月11日凌晨,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射风云四号卫星。风云四号卫星是我国静止轨道气象卫星从第一代(风云二号)向第二代跨越的首发星,也是我国首颗地球同步轨道三轴稳定定量遥感卫星。

风云四号卫星装载了四个载荷,分别是:多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器包。这四兄弟当中,有个特殊的,那就是空间环境监测仪器包,为什么说它特殊呢?因为前三个兄弟站在卫星上朝着地球,唯独这个小兄弟偏偏背对着地球,朝着深邃的太空(作45度仰望星空状)……

这载荷为何如此特立独行?

说到空间环境监测仪器包的与众不同之处,首先得从它的职责说起:它负责监测空间天气……

啥是空间天气呢,别说得太复杂,偶们听不懂!打个比方吧:

在地球上,大气层以内每天都会有风雨雷电等天气变化;而在大气层以外,其实也有类似的“天气变化”,看似空无的太空,里面飞行着高能粒子、低能粒子,并且在地球周围分布着磁场。

这些东东和“天气”有啥子关系?

我们可以把高能粒子想象成太空里的雨滴,它会打在卫星、飞船等飞行器上,如果这种“雨滴”能量增强,变成了“太空冰雹”,它就会穿过飞行器外壳,打在内部电路上,造成各种故障甚至直接报废卫星。

那低能粒子肯定没这么大威力了,它又会有啥影响?低能粒子虽然能量不高,但是数量多啊,我们可以把大量低能粒子存在的空间想象成“湿度很高”的地区,卫星进入低能粒子密集的地区,就好像人进入到湿度很大的环境里,身体表面就会变得潮湿,同样道理卫星表面也会变得不那么“舒服”,导致表面带电,电压可达到成百上千伏。

那么为什么又要探测磁场呢?因为磁场会导致带电粒子的偏转,只有知道磁场分布,我们才能够知道带电粒子“从哪里来,往哪里去”。

空间环境监测仪器包由三台高能粒子探测器,充电电位探测器,磁强计,辐照剂量仪和环境远置单元组成,可以实现粒子探测、磁场探测和效应探测三大功能。

空间环境监测仪器包的十级美颜自拍

别看它能实现这么多功能,其实总重量才三十多公斤,是风云四号卫星四台载荷中重量最小的。相对于卫星上另外三台“高端、大气、上档次”的载荷,空间环境监测仪器包绝对是“低调、奢华、有内涵”啊。下面是这几台仪器的自拍照,十级美颜哟!

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为何要装载到气象卫星上?

在中国气象局里,有一个叫做“国家空间天气监测预警中心”的机构,他们通过分析空间环境里粒子、磁场等等各种数据,对空间天气作出预报和预警。既然它属于中国气象局,那么空间环境监测仪器就装在气象卫星上喽。

这些仪器是哪里做的?

既然由科学大院(ID:kexuedayuan)来安利,不言而喻,它们自然是来自中国科学院喽,空间环境监测仪器包里的这些仪器都是由中国科学院国家空间科学中心的空间环境探测室主导完成。国家空间科学中心汇聚了国内一批优秀的物理和技术人员,通过研制各种各样的探测仪器,为卫星的出行“守护冷暖”。

当然了,除了空间环境监测仪器包以外,风云四号上四项载荷中,还有两项也是中国科学院的手笔,它们分别是多通道扫描成像辐射计和干涉式大气垂直探测仪。厉害了,我的中科院!

空间环境监测仪器还在哪些卫星上有应用?

从风云二号开始,空间环境监测仪器就安装在了气象卫星上,只不过根据轨道不同、需求不同,空间环境监测仪器的配置、技术指标也不同。

除了气象卫星,在载人航天、嫦娥探月、火星探测等等重大航天工程中,均有中科院空间中心研制的空间环境监测仪器。

它们的名称虽然相似,但是仪器指标可是大不一样,因为不同的航天器,飞行轨道不同,空间环境探测要素的能量及通量也不同,相应的仪器设计的探测范围、方向就不一样。因此,空间环境监测仪器在设计前,需要根据卫星轨道进行仿真分析,确定设计输入条件,这样才能满足任务需求。

聊完了风云四号上十分特别的一个载荷,接下来我们针对风云四号卫星本身,再做个简单释疑,敲黑板,重点来了~

风云四号与之前的风云系列卫星有何区别?

风云气象卫星业务特点:

–系列星,连续在轨工作,获得长期的数据;

–稳定、可靠的运行,数据连续稳定下行;

风云气象卫星的轨道

–地球同步轨道:位于地球外辐射带边缘;数据实时和连续。

–太阳同步轨道:穿过极区,获得全球和地方时的数据。

风云卫星是个大家族,从风云一号开始,经历了风云二号、三号到如今的四号,形成了一系列风云气象卫星。从下图可以看出,风云系列卫星从一号到四号卫星的相似与不同:

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风云一号与三号卫星运行在太阳同步轨道,利用地球自转,卫星可以观测全球天气变化;而风云二号与四号卫星运行在地球同步轨道,主要实现对我国范围内高频次的实时观测。

两种轨道的卫星配合使用下,就可以对我国和全球天气进行观测了。

风云四号:我国首颗地球同步轨道三轴稳定定量遥感卫星?

虽然风云二号和风云四号同属于地球同步轨道卫星,不过风云二号属于第一代地球静止轨道卫星,而风云四号属于第二代。

这两种卫星差异还是很大的:风云二号卫星是自旋卫星,通过自旋实现相机的扫描功能,从地球看过去的话,风云二号是不停自转的。而风云四号卫星是三轴稳定卫星,也就是卫星的XYZ坐标轴相对地球始终不动,从地球看过去,这个卫星始终一动不动。

三轴稳定卫星可以实现对地球的“凝视”,获取更高时间分辨率的对地观测。

另外风云四号卫星属于遥感卫星的一种,不仅要实现定性遥感,还要达到定量遥感的要求,打个比方说,不仅要看出某个地区温度高,还要给出高几度的数值,这就是定量遥感的特殊之处,也是风云四号卫星厉害的地方。

因此,说它是我国首颗地球同步轨道三轴稳定定量遥感卫星,并不为过!

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琥珀中发现恐龙,一个被忽视的重要细节……

作者:黎刚(中国科学院高能物理研究所)

1恐龙尾部化石及琥珀的可见光照片,图中是看不到骨骼的

12月9日,一则古生物学家在琥珀中发现恐龙的消息在科学圈里疯传,被保存在琥珀中的是一段非鸟虚骨龙类恐龙的尾骨,这是人类有史以来发现的第一块埋藏在琥珀中的恐龙标本,关注度不言而喻。

这项重要发现发表在12月8日的生物学著名刊物《当代生物学》 (Current Biology)上(《当代生物学》属于《细胞》出版集团,五年影响因子平均为9.7),截止12月16日,该文章的Altmetric指数(Altmetric是被国外很多出版和信息机构用于对科学论文学术影响力进行实时监测和评价的指标。采用该指标的机构包括《自然》、《科学》、《柳叶刀》、《细胞》等著名期刊和PLOS出版平台、SCOPUS数据库、PMC OA期刊出版平台、BioMed Central  OA期刊出版平台等。)已经达到3864,在该指数统计的2016年全球发表的270万篇科技文章中排名第6位,在该指数统计的123822篇同期文章中排名第2位,在《当代生物学》杂志被Altmetric统计的所有文章中排名第1位,论文发表仅仅几天,该发现就进入了2016年全球最受媒体和公众关注和讨论的科学研究之列。

然而,在关注这项发现本身的同时,你有没有想过,发现的琥珀中,恐龙尾骨化石被厚实的毛覆盖着,科学家们是如何看到骨骼,进而确定化石的主人是一只恐龙,而不是鸟呢?这就不得不提到科学研究用到的同步辐射装置。

和这次发现恐龙的琥珀一起被研究的共有两块化石,都来自缅甸克钦邦胡康河谷,其历史约9900万年,属于白垩纪中期的诺曼森阶。这两块化石都埋藏在琥珀内部且覆盖着厚实的毛,可见光成像是无法直接看到化石中的骨骼部分的,而普通X光机微CT的成像基于吸收衬度,密度灵敏度低,所获图像的衬度也不够高,能分辨出来的细节太少。

于是,在本次研究中,科学家们利用的是同步辐射硬X射线相位衬度断层成像方法(SRX-PC-CT),对琥珀化石进行了多尺度分辨高密度灵敏度的3D无损成像研究,SRX-PC-CT使用同步辐射光源提供的具有良好空间相干性的硬X射线进行相位衬度成像,可以在保持硬X射线高穿透性的同时大大提高密度灵敏度。听起来很高大上,有木有?

2恐龙尾骨化石的SRX相衬CT的3D复原结果。全体的侧向视图(上)和局部腹侧视图(下)

在对琥珀的研究过程中,研究团队先后用到了北京同步辐射装置(BSRF)和上海同步辐射装置(SSRF),分别在2015年夏天和秋天在的SRX-PC-CT装置无损获取了该化石多尺度分辨的高质量投影图像。

此后,经过对投影图像的断层重建、数据的自动和手动分割、分段拼接和3D重构,得到了被毛和琥珀包围着的化石的高清3D图像,揭示出化石内部的3D形态特征。

基于SRX-PC-CT重建的骨骼三维形态图,研究团队首先确认其中一块标本的确是鸟类,属于典型的早熟性反鸟类幼鸟,该工作2016年6月28日发表在Nature出版集团的著名刊物NATURE COMMUNICATIONS上。

在系统分析另外一块标本骨骼部分SRX-PC-CT三维图像时,研究团队发现,该化石明显区别于典型的古鸟类,骨骼形态(如腹侧明显的沟槽结构)与典型的非鸟虚骨龙类恐龙类似,是非鸟虚骨龙类恐龙(coelurosaurs)的一段尾骨,包括至少9段尾椎。至此,人类有史以来发现的第一块埋藏在琥珀中的恐龙标本,在两大同步辐射装置的帮助下,就这样被准确鉴定出来了。

除了用到同步辐射装置的多尺度分辨的高质量投影图像外,研究团队还利用BSRF的X射线荧光成像方法获得了尾椎化石出露断面的微量元素分布图,并发现其中铁、锰、钛、锗等元素的分布与化石的形态高度吻合,蕴含着丰富的埋藏学信息。在BSRF对铁元素所做的近边吸收谱分析表明,其中80%以上的铁原子为二价,这应该是血红蛋白和铁蛋白的遗迹。

3恐龙化石尾椎出露端部的X射线荧光成像结果

4对恐龙化石尾椎端部Fe元素价态的X射线吸收谱分析表明被测区域80%的Fe原子处于2+价

可以说,在这次发现中,来自中科院的两台同步辐射装置起到了非常重要的作用,并且有理由相信,随着近几年我国同步辐射装置的进步,在国内的同步辐射装置上可以做出的世界水平的科学发现将会越来越多。

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