一

2022年2月，北京。舉世矚目的第二十四屆冬奧會(huì)正在舉行。天空湛藍(lán)，空氣清凈。來自世界各國(guó)和地區(qū)的運(yùn)動(dòng)員沐浴在陽光下，激情滿懷地走向賽場(chǎng)。

與此同時(shí)，一支不被人注意的隊(duì)伍正行進(jìn)在冬奧會(huì)的賽場(chǎng)周邊。這支隊(duì)伍依托經(jīng)過特殊改裝的監(jiān)測(cè)車日夜走航監(jiān)測(cè)賽場(chǎng)。在這之前，經(jīng)過近三個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)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(duì)策略。

帶領(lǐng)這支隊(duì)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(jì)算。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)、每一個(gè)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(guó)首次舉辦夏季奧運(yùn)會(huì)，劉文清接到通知：由他率領(lǐng)的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)大氣監(jiān)測(cè)任務(wù)。要知道，那時(shí)候，中國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)于他和他的團(tuán)隊(duì)來說，這次機(jī)會(huì)，必須展示出中國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)的水平，開創(chuàng)中國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)的新天地。

那一次，劉文清團(tuán)隊(duì)在北京待了六個(gè)月。日夜加強(qiáng)觀測(cè)，很多年輕隊(duì)員都累得不行，每天晚上，他卻仍堅(jiān)持跟蹤分析。“今天的數(shù)據(jù)出來，對(duì)明天的治理就有影響。所以，一刻也不能拖。”

2008年北京奧運(yùn)會(huì)，劉文清獲得“奧運(yùn)會(huì)科技貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”，其成果獲得“奧運(yùn)科技成果獎(jiǎng)”。

十四年后，劉文清的團(tuán)隊(duì)再次被選中。這一次，他們已經(jīng)底氣十足：團(tuán)隊(duì)所攜帶的設(shè)備更科學(xué)、更先進(jìn)了，而且全部具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)相比以前，更加及時(shí)、高效、權(quán)威。

給大氣做“CT”——這是對(duì)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(cè)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(guó)工程院院士。至今，他已在中國(guó)的光學(xué)研究及大氣環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)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(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所工作。后來，他去國(guó)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(guó)家，為國(guó)家做事。”正是這份家國(guó)情懷，讓他下決心為祖國(guó)的科技發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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(cè)。在國(guó)內(nèi)，這還是個(gè)空白。三年前在國(guó)外時(shí)，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(cè)大氣。當(dāng)激光穿過大氣，會(huì)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(hào)，可以分析大氣中的污染物含量和分布。要知道，那時(shí)候國(guó)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)還都是傳統(tǒng)方法，主要依靠樣品采集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。當(dāng)時(shí)劉文清就在想：哪一天，中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(gè)人，分析國(guó)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，講到在國(guó)外看到的那束激光，講到國(guó)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備百分之九十五以上都依賴進(jìn)口……安光所環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)研究室就這樣成立了。

所里擠出二十萬元，作為他們的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。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(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀。

那以后的大半年時(shí)間，研究室的燈光基本都是通宵亮著。從圖紙開始，到一個(gè)個(gè)螺絲釘、一個(gè)個(gè)接口焊接，劉文清帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，一切都是自己干。他將團(tuán)隊(duì)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(jìn)口，那不過是組裝，必須自主創(chuàng)新。電路設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)第一次獲得了點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀的反演算法，通過循環(huán)驗(yàn)證，達(dá)到了較為滿意的效果。

然而，電路設(shè)計(jì)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(jì)改成了集成度更高、可靠性更強(qiáng)的電路設(shè)計(jì)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(yàn)、失敗，再試驗(yàn)、再失敗……終于，成功地造出了第一塊完全合格的高品質(zhì)點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀模塊。

第二年春天，他們?cè)斐隽说谝慌_(tái)完整的儀器。

雖然那只是一臺(tái)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(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀。他們興奮極了，這臺(tái)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(cè)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(cè)儀器研發(fā)過來的。環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)不僅要在實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)。他將設(shè)計(jì)方案一改再改，直到終于滿意了，才著手研制。

移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀研制出來后，他讓團(tuán)隊(duì)里的年輕人送到礦上，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際情況再來進(jìn)行改進(jìn)。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(tuán)隊(duì)主力的一位研究員，一直記得當(dāng)年跟隨劉文清研發(fā)機(jī)動(dòng)車尾氣探測(cè)儀器的經(jīng)過——

劉文清將大家“趕”到大街上，觀察各種機(jī)動(dòng)車。機(jī)動(dòng)車排放污染氣體，然而對(duì)行駛中的機(jī)動(dòng)車進(jìn)行探測(cè)，難度可想而知。“許多人都覺得不可思議，車子在跑，怎么測(cè)？”

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(shí)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(shí)打進(jìn)行駛中的機(jī)動(dòng)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(lán)藻曾經(jīng)一度污染了水體，湖水發(fā)出惡臭。劉文清團(tuán)隊(duì)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(shí)間研制出水體監(jiān)測(cè)儀器。該儀器比國(guó)外同類儀器便宜一半，投放巢湖后，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)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(duì)大氣環(huán)境的影響等情況，劉文清團(tuán)隊(duì)來到一線。他們穿著厚厚的防護(hù)服，隨大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)車頻繁地進(jìn)行網(wǎng)格化走航觀測(cè)。監(jiān)測(cè)車是出發(fā)前團(tuán)隊(duì)特意改裝的正壓實(shí)驗(yàn)車，配備了多套大氣環(huán)境立體探測(cè)設(shè)備，這些設(shè)備完全由劉文清團(tuán)隊(duì)研發(fā)。每天，從朝霞升起，到臨近午夜，團(tuán)隊(duì)循環(huán)探測(cè)，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(shí)刻見功夫。科學(xué)說到底，還是要為人服務(wù)。”他跟團(tuán)隊(duì)一道記錄數(shù)據(jù)，分析標(biāo)志物變化，及時(shí)將探測(cè)結(jié)果報(bào)告給決策部門。

四

太原衛(wèi)星發(fā)射中心。中國(guó)高分五號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功。

作為衛(wèi)星環(huán)境載荷的總設(shè)計(jì)師，劉文清長(zhǎng)長(zhǎng)地舒了口氣。他夢(mèng)想中的中國(guó)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)天、地、空一體化體系終于建成。

在衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)，劉文清流淚了。從二十年前選擇開拓環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)開始，從一個(gè)接口、一個(gè)芯片到一臺(tái)儀器，從一個(gè)數(shù)據(jù)、一段光譜到一個(gè)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(guó)家自己的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器上天了，而且，探測(cè)幅寬達(dá)到兩千六百公里。給大氣做的“CT”更清晰了。同時(shí)，有了自己的數(shù)據(jù)，我們?cè)趪?guó)際上也有了更多的話語權(quán)。

至今，劉文清團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)了近百種環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器。這些儀器被大量地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)子站和其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，占到了國(guó)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。”劉文清很自豪。

實(shí)驗(yàn)室里，擺放著每一個(gè)時(shí)期他們研發(fā)的儀器模型。

世紀(jì)之初，代表性的模型是一臺(tái)點(diǎn)式環(huán)境空氣二氧化硫監(jiān)測(cè)儀。再后來，是長(zhǎng)光程監(jiān)測(cè)設(shè)備。到了2008年北京奧運(yùn)會(huì)前后，應(yīng)用激光技術(shù)的激光探測(cè)雷達(dá)出現(xiàn)了。這些構(gòu)成了地基觀測(cè)的基本系統(tǒng)，可以探測(cè)地面上、園區(qū)內(nèi)、水域大氣污染情況。

2015年前后，空基探測(cè)建立。利用航天飛行設(shè)備載荷，對(duì)地面以上五公里內(nèi)大氣進(jìn)行探測(cè)。

2018年5月，高分衛(wèi)星搭載了六臺(tái)環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器，劉文清團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造的就有三臺(tái)。這些載荷連同后來發(fā)射的環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等，構(gòu)成了中國(guó)大氣環(huán)境天基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

“三基”協(xié)同，劉文清團(tuán)隊(duì)又完成了一系列的環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。2022年湯加火山爆發(fā)，巨大的火山灰隨著大氣流動(dòng)而蔓延。中國(guó)衛(wèi)星獲得了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其研究和監(jiān)測(cè)成果處在國(guó)際前沿。圍繞京津冀天、地、空一體化大氣綜合環(huán)境實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目也初顯成效，織成了一張時(shí)刻監(jiān)測(cè)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(dòng)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(guó)向世界承諾2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。對(duì)于我們環(huán)境監(jiān)測(cè)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(yuǎn)。