4月14日下午，劉文清院士（左）在調試車載新型大氣臭氧探測激光雷達。董云升 攝

在武漢抗疫戰(zhàn)場，有一個大氣環(huán)境監(jiān)測團隊在默默守護城市安全。由中國工程院院士劉文清帶領的武漢大氣環(huán)境立體探測實驗隊，持續(xù)對武漢城區(qū)和定點醫(yī)院、方艙醫(yī)院、隔離點、社區(qū)等開展走航觀測實驗，為病毒傳播風險評估、環(huán)境影響因素分析提供了科技支撐。

劉文清，1954年1月出生于安徽省蚌埠市，1975年進入中國科學技術大學物理系學習，主要從事環(huán)境監(jiān)測技術和應用研究，現(xiàn)任中國科學院合肥物質科學研究院學術委員會主任、安徽光學精密機械研究所首席科學家。他說：“如果環(huán)境管理是一座大廈，那么環(huán)境監(jiān)測就是頂梁柱，我們就是環(huán)境監(jiān)測的守望者。像醫(yī)生給病人做CT一樣，我們就是給大氣環(huán)境做CT的人。”

近日，劉文清院士接受了本報記者專訪。

只要人呼吸一下，儀器就可以把呼吸氣體成分分析出來

問：您的團隊是做大氣環(huán)境監(jiān)測的，為什么會在抗疫期間來到武漢，主要任務是什么？

劉文清：環(huán)境因素是防控疫情不可忽視的方面。疫情暴發(fā)后，中國工程院緊急成立了“新冠病毒疫情環(huán)境風險防控攻關項目組”，交給我們的任務是盡快改裝疫區(qū)大氣環(huán)境立體探測實驗車，對武漢定點醫(yī)院、方艙醫(yī)院、隔離點、社區(qū)等開展走航觀測實驗，獲取第一手大氣環(huán)境要素時空分布數(shù)據(jù)。

接到任務后，我們立即通過視頻會議討論確定了實驗車設備部署和改裝方案，加班加點對儀器進行安裝調試。實驗車我們早就有，為了保證實驗人員安全，我們改裝了正壓實驗車。

實驗車輛主要配備了我們研究團隊自主研發(fā)的氣溶膠和臭氧探測激光雷達、高分辨便攜式質子轉移反應質譜儀（PTR-MS）、氣溶膠粒徑譜儀、高光譜大氣成分掃描分析儀等7套大氣環(huán)境立體探測設備，可以實現(xiàn)從近地面到5公里高度大氣氣溶膠和臭氧的實時探測，實現(xiàn)對230余種揮發(fā)性有機物的秒級快速監(jiān)測，以及武漢地區(qū)氣溶膠、二氧化氮、二氧化硫、甲醛、臭氧等柱濃度的高精度連續(xù)觀測和衛(wèi)星遙感探測。這些設備都有我們自己的知識產權，不是從國外買來裝在我們這個車上的。

我們組建的武漢大氣環(huán)境立體探測實驗隊共6人，駐地200米外就是武昌洪山體育館方艙醫(yī)院。我們帶了非常靈敏的測量揮發(fā)性有機污染物的儀器PTR-MS，只要人呼吸一下，它就可以把呼吸氣體成分分析出來。

我們主要是圍繞武漢火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院、金銀潭醫(yī)院，還有武漢客廳等方艙醫(yī)院、百步亭社區(qū)等做網(wǎng)格化的監(jiān)測。我們每天都要去做監(jiān)測，捕捉大氣環(huán)境的差異，判斷污染物的變化。

問：這次環(huán)境監(jiān)測和以往相比，在技術上有什么突破？

劉文清：我們開展的車載走航觀測，較傳統(tǒng)的國控點、省站觀測，針對性更強，可以直接到定點醫(yī)院、方艙醫(yī)院附近去在線采樣分析。這種形式的觀測能夠獲得重要場點周邊的第一手信息，而且可以獲取從地面到高空的大氣環(huán)境空間分布數(shù)據(jù)，更加有效地分析氣溶膠和污染氣體擴散情況。

通過這次武漢疫情期間的環(huán)境監(jiān)測，我們初步掌握了武漢重點場所周邊空氣中的氣溶膠、消毒劑揮發(fā)氣體等時空分布特征，可以有效評估武漢整體環(huán)境空氣質量狀況，為判斷和評估病毒在空氣中通過氣溶膠傳播引起的暴露風險、大氣環(huán)境質量與病毒之間的響應關系、消毒效果評價與副作用控制提供科學數(shù)據(jù)。

這些研究成果，對于評估重點場所周邊的環(huán)境風險，實施更合理的消毒措施，分析經濟活動對環(huán)境空氣質量的影響，都有一定的借鑒作用。

問：關于病毒傳播途徑，這次的監(jiān)測有哪些發(fā)現(xiàn)？

劉文清：我們去測武漢客廳方艙醫(yī)院、金銀潭醫(yī)院等地方，基本上是全副武裝的，穿著防護服，戴著口罩過去。

我們把所有儀器設備裝在一個移動的實驗車上，一邊走一邊測。比如說在武漢客廳方艙醫(yī)院轉圈，只要一圈轉下來就知道這里的主要污染物，包括揮發(fā)性有機物的成分、濃度和分布。

根據(jù)我們的探測實驗結果，不管是火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院，還是方艙醫(yī)院，它們的負壓病房做得非常不錯，沒有發(fā)現(xiàn)醫(yī)院病房里氣溶膠泄漏出來。

人要呼吸，他可能會有一些咳嗽粉末，這些病毒可能會吸附在氣溶膠上。如果人與人之間的距離比較近，或者空氣不流動，可能就會形成傳播。所以，避免大范圍的人員集聚，人與人之間要有一定的距離，戴口罩等等，這些措施對于防止病毒傳播是非常重要的。

一束光打過去就能知道污染物濃度

問：為什么說環(huán)境光學監(jiān)測就像是給大氣做CT掃描？

劉文清：空氣中有各種各樣的成分，包括污染物。它們都有自己的特征吸收光譜。一束光打出去，各種各樣的空氣組分或者污染物會在某一些頻率上對光波進行吸收，形成特征吸收光譜。實際上就像人的指紋一樣，通過一些儀器、設備和一定的計算方法、分析方法就能把它們檢測、測量出來。

我們的設備可以進行立體垂直探測，這樣就可以知道光路上不同高度的污染物成分和含量，就如同給大氣做一個CT掃描，比如說50米、100米，甚至到幾公里幾十公里，在這個層面上，它的污染物是怎么樣分布的，怎么樣輸送的。目前包括在衛(wèi)星平臺上對大氣環(huán)境測量基本上都是用光學技術，靠光的散射反射來區(qū)分污染物。

環(huán)境光學監(jiān)測廣泛應用于空氣質量監(jiān)測、污染源排放監(jiān)測、大氣成分探測、安全生產過程監(jiān)控、應急監(jiān)測等，服務于環(huán)境、氣象、海洋、公共安全、應急管理等領域，在國民經濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。通過環(huán)境光學監(jiān)測技術，已構建空氣質量的自動監(jiān)測系統(tǒng)、污染源排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、區(qū)域污染立體探測網(wǎng)絡、工業(yè)園區(qū)污染全方位監(jiān)測系統(tǒng)等，為環(huán)境質量監(jiān)測評估、環(huán)境污染控制、環(huán)境改善提供第一手的監(jiān)測數(shù)據(jù)和先進的技術手段。

比如說你拿個手持的PM2.5監(jiān)測儀，用一個小的激光器打一束光，從一定的角度去測量它，你就可以知道空氣中PM2.5的濃度是多少。

問：光學監(jiān)測技術的突破會帶來環(huán)境監(jiān)測領域哪些新變化？

劉文清：傳統(tǒng)的監(jiān)測方式主要是現(xiàn)場采樣實驗室化學分析。光學監(jiān)測的優(yōu)勢表現(xiàn)在具有非接觸測量、靈敏度高、選擇性好、適用范圍廣等方面，實現(xiàn)自動、在線、現(xiàn)場監(jiān)測與遙感遙測的綜合立體監(jiān)測。比如發(fā)生了一起污染事故，傳統(tǒng)監(jiān)測要拎著儀器到現(xiàn)場，如果用光學技術，可以不到現(xiàn)場，一束光打過去之后，就可以知道那個地方的污染物濃度是多少。

2018年5月9日，我國高分五號衛(wèi)星發(fā)射成功，衛(wèi)星搭載了我們所自主創(chuàng)新研制的三個大氣環(huán)境監(jiān)測載荷。通過高分五號載荷的觀測，可以像氣象衛(wèi)星圖片上云的分布一樣，看清楚全球的污染氣體的分布，平時這些污染氣體都是肉眼不可見的。

高光譜衛(wèi)星遙感技術是利用光譜對全球大氣污染持續(xù)遙感成像的前沿技術，它能夠在短時間內提供全球大氣污染分布特征，區(qū)域大氣污染的時間序列變化和輸送信息。通過高分五號的觀測，我們掌握了全世界污染的資料。因此，不僅在宏觀上為我國的大氣污染控制決策提供技術支持，更科學更合理制定經濟發(fā)展和產業(yè)結構政策，還能為我國國際環(huán)境外交活動、國際環(huán)境保護合作提供有力的科技支撐。

問：環(huán)境質量的持續(xù)改善，從長期來看主要取決于哪些因素？

劉文清：近年來我國環(huán)境質量在不斷改善，這和國家的工業(yè)結構、能源結構等有關。短期的，比如說出現(xiàn)霧霾天氣，可能還是與氣象條件有關，因為如果氣象條件把污染物的邊界層從兩公里下降到一公里，等于濃度一下子提高了很多倍。長期的環(huán)境質量提升，還是要靠能源結構、生產結構的調整。

現(xiàn)在貫徹新發(fā)展理念，我們那么多科技人員也在做這方面的工作。環(huán)境變好，污染物下降，最受益的是老百姓。

當科學家就要耐得住寂寞

問：您在上大學之前曾經做了5年鉗工，什么動力讓您一步步成為科學家？

劉文清：我高中畢業(yè)后在一家小型國企干鉗工。那時候是三班倒，有一天凌晨，那個沖床突然掉下來了，我這個手幸虧拽得快，但是手指頭被打掉一小節(jié)。當時我就想，我要改變。我父親是普通群眾，我母親不識字。我覺得知識能夠改變命運，所以就不斷學習，1975年進入中國科學技術大學物理系學習。

中科大作為科學家的搖籃，培養(yǎng)了我國很多優(yōu)秀的科技人才，各系的主任和老師，很多都是我國知名科學家。我進入中科大，了解了中科大建校的初衷、歷史以及其在國防建設中發(fā)揮的作用。在國家需求的牽引下，在老師的熏陶下，在同學們一起努力的氛圍中，我立志當一名科學家，為國家的科技發(fā)展貢獻自己的一點力量，為國家的強大做出貢獻。

問：1978年11月您畢業(yè)參加工作，那時的工作生活條件怎樣？

劉文清：1978年11月，我被分配到合肥市西郊董鋪島上的中國科學院安徽光學精密機械研究所工作。當時的條件很差，那個時候到島上來只有三班公交車，早上中午下午各一班，要想出島很困難，來島上的路非常窄，夏天在路上經常看到蛇。只能在食堂吃飯，沒辦法自己去做。有一次我從外面辦事回來沒趕上車，整整走了三個多小時才走回來。

雖然生活條件艱苦，但當時的科研條件和科研任務吸引我留了下來。其實，從立志當科學家，就知道需要耐住寂寞，因為只有刻苦鉆研才能取得成果。

問：您后來又攻讀研究生，從《新概念英語》開始學習英語，出國留學讀醫(yī)學博士，一路走來，學習對您意味著什么？

劉文清：我覺得藝不壓人。會的越多，將來你能夠承擔的事情就越多、做的貢獻就越大。人還是要活到老學到老，因為知識在增加，光靠大學的知識，光靠老師教的知識，肯定不夠你工作上用。改革開放初期，為了更好地了解國際上的科研進展，我就補英語，閱讀文獻。夏天，董鋪島蚊蠅很多，為了不讓這些小昆蟲打擾我學習《新概念英語》，我就買了一雙長靴套住雙腳和小腿，躲在蚊帳里背誦一篇篇課文。最終，我把幾冊《新概念英語》上的課文都背得滾瓜爛熟，而我的雙腳也幾乎被捂爛。

我覺得不能死讀書、讀死書，搞自然科學要打牢基礎。只要掌握了這個基礎，就可以做很多工作。我在國外的時候讀的是醫(yī)學博士。原理是這樣的，如果得了癌癥，癌細胞對光敏劑的吸收濃度要比正常的細胞要高，所以用特定波長的激光去照射它的時候，光敏劑就會形成活性很強的單態(tài)氧，癌細胞就缺氧凋亡。我這么多年來一直不停地在學習，現(xiàn)在用激光監(jiān)測大氣不同高度的污染物，實際上和做X光、做CT方法是一樣的，兩個光在這不停地掃描，人從中間過去，對他進行成像。

研究對象也好，做醫(yī)學也好，實際上好多都是相通的。我們有一個團隊在做糖尿病檢測，一般糖尿病檢測要抽血，它不用，用一束LED光照射皮膚，通過檢測皮膚熒光光譜的變化，就可以診斷是否患有糖尿病。

我不想一輩子說外國話，我有自己的家國情懷

問：您出國時，我們和西方發(fā)達國家在光學領域上差距還很大，為什么沒有留在國外實驗室？

劉文清：當時，我們的光學儀器無論是理論、材料還是技術方面都和國外差距很大，環(huán)境光學監(jiān)測儀器在國內是一片空白。我第一次出國是去日本，他們一個大的激光雷達有6層樓高，可以打到日本的富士山，轉一圈就知道污染物在什么地方。他們的技術水平還是非常先進的。

當時不管去日本、意大利還是德國，感覺到我們國家科技水平還是比較落后。再一個我們的經濟實力比較落后，所以一些高端的儀器設備買起來很費勁。我記得回國的時候，我們老組長買放大器，實際上也就2萬美元，現(xiàn)在2萬美元不算什么，那時候2萬美元對課題組來說很難。這件事對我觸動還是很大的。

當時就想讓在國外學到的東西在我們自己的實驗室開花結果。我從希臘回來之前，我“老板”跟我說，你回去看看你母親，然后再回來。我回來之后就沒再回去，我選擇回國發(fā)展，首先我要說中國話，盡管外國話我說得很好，但我不想一輩子說外國話，我有自己的家國情懷。

問：中國自己的環(huán)境光學監(jiān)測研究是如何一步步搞起來的？

劉文清：1998年，中科院和國家環(huán)保總局的領導商談提出，中科院可在環(huán)境光學研究方面提供科技支撐。那時候我們國家空氣質量監(jiān)測站還不多，所用的設備全是從國外進口，所以我當時就想做這一塊。

1999年，我領導的環(huán)境光學監(jiān)測研究室得到20萬元啟動經費，研制能夠監(jiān)測二氧化硫濃度的空氣監(jiān)測儀。接到任務之后，我就決心將這個項目做成真正實用的環(huán)境監(jiān)測設備，而不是一個“向領導交差”或者圈錢的項目。

從這項研究任務開始，我就帶領團隊，根據(jù)國家對環(huán)境監(jiān)測的需要，開發(fā)出了多種監(jiān)測儀器，并陸續(xù)投入使用。我曾先后邀請王大珩等多位院士來研究所，指導開展環(huán)境光學的科研布局及建設。2000年4月，由兩院院士組成的“先進環(huán)保技術領域專題組”，向國家提供了一份《先進環(huán)保技術咨詢報告》，肯定了我們開發(fā)的多種環(huán)境監(jiān)測技術，建議把“DOAS空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)”“紫外差分煙道在線監(jiān)測系統(tǒng)”“機動車尾氣遙測系統(tǒng)”等列為國家重點發(fā)展項目。

就這樣，我們的產品一步步發(fā)展起來。之前我國的常規(guī)污染物在線自動監(jiān)測儀器幾乎是空白，我們研制出的“城市空氣質量連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)”與企業(yè)合作生產后，其產品價格低于國外進口產品的50％。

科研不能搞短平快，沒有捷徑可走

問：您從事了四十多年科研工作，什么是科研的出發(fā)點？

劉文清：作為科研工作者，要有科學家的社會責任，要以研究重大問題、服務國家和社會作為最高目標。國家環(huán)境監(jiān)測技術發(fā)展需要我們做的事有很多。選準方向，做國家最需要的事，永遠是我們的出發(fā)點。

我常對學生說，我們搞科研，一定要思考給國家、社會留下什么。因為第一個，搞科研花的是國家的錢；再一個，博士畢業(yè)差不多30歲，我們一個項目一般是3年，到60歲退休，你做10個項目就回家了。

科研不可能搞短平快，沒有捷徑可走。就是要腳踏實地，不斷地去探索、去鉆研，而且即使這樣也不見得保證每個人都能夠成功。因為有些東西它要一定時間后才能出現(xiàn)，并不是說我今天讓你做這個，然后過兩天你就給我拿出來，絕對不可能，必須要經過一定時間的磨練、失敗總結，最后才能夠成功。

問：最讓您煎熬的科研攻關項目是哪一個？

劉文清：前面提到的，2018年5月9日，我國當日發(fā)射成功的高分五號衛(wèi)星，搭載了我們所自主創(chuàng)新研制的三個大氣環(huán)境監(jiān)測載荷，這也標志著我國高光譜分辨遙感衛(wèi)星技術達到了國際先進水平。

回想研發(fā)初期，我們團隊在航天質量、標準、接口等問題上經驗匱乏，人手也不足。我們不可能買國外的設備裝到我們的衛(wèi)星上去發(fā)射，所有的東西都必須是自己的。我們從一個芯片、一個接口開始，通宵達旦查資料，打造了一支吃苦耐勞的攻堅隊伍，最終順利完成了項目交付。

問：對有志于從事科研的年輕人，有什么建議？

劉文清：實際上就兩個字，專注。別受社會上這樣那樣的誘惑。科研沒有捷徑，達不到那個程度，沒有經過那個過程，不可能出成果。所以我跟年輕人說，遇到困難之后，你別去繞，如果你繞過去了，今天算你僥幸，但這個困難將來還會出來，你要把這個困難解決了，搞通了你再去走。所以我覺得還是要專注，還是要能夠靜下心來。人生短暫，不能虛度光陰。

（本報記者 尹健 李雪原）