Laserkamsystemer måler alle primære drivhusgasser i luften

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opgraderet deres laserfrekvens-kam-instrument til samtidig at måle tre luftbårne drivhusgasser - dinitrogenoxid, kuldioxid og vanddamp - plus de vigtigste luftforurenende stoffer ozon og kulilte.

Kombineret med en tidligere version af systemet, der måler metan, NIST's dual kam -teknologi kan nu fornemme alle fire primære drivhusgasser, som kunne hjælpe med at forstå og overvåge emissioner af disse varmefangende gasser, der er involveret i klimaændringer. Det nyeste kamsystem kan også hjælpe med at vurdere byluftkvaliteten.

Disse NIST-instrumenter identificerer gassignaturer ved præcist at måle mængden af ​​lys, der absorberes ved hver farve i det brede laserspektrum, når specielt forberedte stråler sporer en vej gennem luften. Nuværende applikationer omfatter detektering af lækager fra olie- og gasinstallationer samt måling af emissioner fra husdyr. Kamsystemerne kan måle et større antal gasser end konventionelle sensorer, der prøver luft på bestemte steder. Kammene tilbyder også større præcision og længere rækkevidde end lignende teknikker, der bruger andre lyskilder.

NISTs seneste fremskridt, beskrevet i et nyt papir, skifter lysspektret analyseret fra det nær-infrarøde til det mellem-infrarøde, muliggør identifikation af flere og forskellige gasser. Jo ældre, nær-infrarøde kamsystemer kan identificere kuldioxid og metan, men ikke lattergas, ozon eller kulilte.

Forskere demonstrerede det nye system over tur-retur-stier med længder på 600 meter og 2 kilometer. Lyset fra to frekvenskamme blev kombineret i optisk fiber og transmitteret fra et teleskop placeret på toppen af ​​en NIST-bygning i Boulder, Colorado. En stråle blev sendt til en reflektor placeret på en balkon i en anden bygning, og en anden stråle til en reflektor på en bakke. Kamlyset hoppede af reflektoren og vendte tilbage til det oprindelige sted til analyse for at identificere gasserne i luften.

En frekvenskam er en meget præcis "lineal" til måling af nøjagtige lysfarver. Hver kam "tand" identificerer en anden farve. For at nå den mellem-infrarøde del af spektret, nøglekomponenten er et specielt konstrueret krystalmateriale, kendt som periodisk polet lithiumniobat, der konverterer lys mellem to farver. Systemet i dette eksperiment opdelte det nær-infrarøde lys fra en kam i to grene, brugte specielle fibre og forstærkere til at udvide og flytte spektret for hver gren forskelligt og for at øge effekten, derefter rekombinerede grenene i krystallen. Dette producerede mellem-infrarødt lys ved en lavere frekvens (længere bølgelængde), der var forskellen mellem de originale farver i de to grene.

Systemet var præcist nok til at fange variationer i atmosfæriske niveauer af alle de målte gasser og stemte overens med resultaterne fra en konventionel punktsensor for kulilte og lattergas. En stor fordel ved at detektere flere gasser på én gang er evnen til at måle korrelationer mellem dem. For eksempel, målte forhold mellem kuldioxid og dinitrogenoxid aftalt med andre undersøgelser af emissioner fra trafikken. Ud over, forholdet mellem overskydende kulilte versus kuldioxid stemte overens med lignende byundersøgelser, men var kun omkring en tredjedel af niveauerne forudsagt af U.S. National Emissions Inventory (NEI). Disse niveauer giver et mål for, hvor effektivt brændstof forbrænder i emissionskilder såsom biler.

NIST -målingerne, i genklang fra andre undersøgelser, der tyder på, at der er mindre kulilte i luften, end NEI forudsiger, sætte de første hårde tal på referenceniveauerne eller 'opgørelserne' af forurenende stoffer i Boulder-Denver-området.

"Sammenligningen med NEI viser, hvor svært det er at skabe varebeholdninger, især der dækker store områder, og at det er afgørende at have data til at feed back til lagrene, " hovedforfatter Kevin Cossel sagde. "Dette er ikke noget, der direkte vil påvirke de fleste mennesker på en daglig basis - opgørelsen forsøger bare at replikere, hvad der rent faktisk sker. Imidlertid, for at forstå og forudsige luftkvalitet og forureningspåvirkninger, modelbyggere er afhængige af lagerbeholdningerne, så det er afgørende, at opgørelserne er korrekte."

Forskere planlægger at forbedre det nye kaminstrument yderligere. De planlægger at udvide rækkevidden til længere afstande, som allerede demonstreret for det nær-infrarøde system. De planlægger også at øge registreringsfølsomheden ved at øge lysstyrken og andre tweaks, for at muliggøre detektering af yderligere gasser. Endelig, de arbejder på at gøre systemet mere kompakt og robust. Disse fremskridt kan hjælpe med at forbedre forståelsen af ​​luftkvaliteten, specifikt samspillet mellem faktorer, der påvirker ozondannelsen.