Styrken af ​​resultaternes konsistens og overensstemmelse for overtonelinjeintensiteter på tværs af undersøgte laboratorier

Forskere fra Institut for Fysik ved Nicolaus Copernicus Universitet deltog i forskning i intensiteten af ​​overtonelinjerne. Hold fra National Institute of Standards and Technology i USA og Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Tyskland foretog også deres målinger. Teoretiske beregninger blev udført af en gruppe fra University College London.

Forskningen blev offentliggjort i Physical Review Letters .

"Hidtil har der ikke været tilfælde i litteraturen, hvor intensiteterne af molekylære overtonelinjer målt med forskellige teknikker og i forskellige laboratorier stemmer overens på promilleniveau med hinanden og samtidig med resultaterne af uafhængige teoretiske beregninger," forklarer Dr. Katarzyna Bielska fra Institut for Atomisk, Molekylær og Optisk Fysik ved Nicolaus Copernicus University, den første forfatter til papiret.

"Vigtigt er, at sådanne præcise målinger er yderst nyttige, hvor end vi ønsker at spektroskopisk bestemme indholdet af stoffer, f.eks. i undersøgelser af Jordens atmosfære, samt i analysen af ​​atmosfæren i andre himmellegemer. Hertil kommer de præcist erkendte intensiteter. af overtonelinjer kan bruges til metrologiske formål, f.eks. til at udvikle temperatur- eller trykstandarder."

Ideel kandidat:Kulilte

Toruń-forskerne er primært involveret i molekylær spektroskopi, og er interesserede i at studere molekylernes spektre (det højopløselige spektrum af et relativt lille molekyle består af tusindvis af såkaldte overtonelinjer), og i dette tilfælde fokuserede de især på på at måle intensiteten af ​​overtonelinjerne.

Alle fire teams tacklede kulilte, hvilket er særligt velegnet til denne type forskning. På den ene side er det et relativt simpelt molekyle, men set ud fra kvantemekaniske beregninger er det allerede komplekst – så det egner sig både til at lave de mest præcise målinger og til at teste forskellige teorier.

"Kulmonoxid er 'venligt' set fra et eksperimentelt synspunkt. Det er ganske vist farligt for os, men hvis vi ved, hvordan vi skal håndtere det, kan vi udnytte de muligheder, det giver os til forskning fuldt ud," siger Dr. Bielska. "Den har en ret simpel spektral struktur, og den er også mindre tilbøjelig til eksperimentelle komplikationer forårsaget af adsorption og desorption fra prøvens cellevægge end for eksempel vand."

Grupper fra Polen, Tyskland, USA og Det Forenede Kongerige var ivrige efter at måle intensiteten af ​​kulilteovertonelinjerne så nøjagtigt som muligt og for at opnå den størst mulige konsistens i resultaterne. Præcision på dette område er af afgørende betydning.

"Hvis jeg kender intensiteten af ​​overtonelinjen godt, og derefter måler denne linje i en ukendt prøve, kan jeg så bestemme, hvad indholdet af dette absorberende stof er i den prøve. For at sige det endnu mere tydeligt:​​hvis jeg måler intensiteten af linjen i min kulilteprøve og derefter tage en måling, for eksempel i luften i et bestemt rum, så kan jeg ud fra dette konkludere, at der er præcis så meget kulilte i det rum," forklarer Dr. Bielska. "Og det er derfor kulilte, eller mere præcist viden om intensiteten af ​​dets overtonelinjer, er nyttig i atmosfæriske applikationer."

Det er dog vigtigt at huske, at når det kommer til at teste kulilteindholdet i jordens atmosfære, er den nødvendige nøjagtighed af målinger klart defineret af Verdens Meteorologiske Organisation - laboratoriesammenligninger af kulilteindhold i en prøve bør ikke afvige mere end 2,5 promille.

"Denne 2,5 promille er allerede en meget høj nøjagtighed. Desværre har det indtil videre, ved gennemgang af den videnskabelige litteratur om emnet, vist sig, at intensiteten af ​​de samme linjer bestemt i forskellige laboratorier eller beregnet teoretisk af forskellige forskningsgrupper kan variere pr. op til et par procent, dvs. 10, 20 gange mere end den promille-nøjagtighed, som vi forventer," siger Dr. Bielska.

Kuliltemolekyler er vigtige i den globale opvarmning. Selvom der er langt færre af dem i atmosfæren end for eksempel kuldioxidmolekyler, har de et større globalt opvarmningspotentiale på grund af de kemiske reaktioner, som de er involveret i i atmosfæren, hvilket påvirker levetiden for andre vigtige molekyler:metan og ozon. Kravene til nøjagtigheden af ​​spektroskopiske målinger af kulilte, som for andre store drivhusgasser, stiger derfor hurtigt.

Forskellige ruter til målet

Hver gruppe valgte en anden målemetode. Fysikerne fra Nicolaus Copernicus University baserede deres på optisk hulrumsdispersion (CMDS), da de for nylig har vist, at det fører til resultater, der er mere nøjagtige end almindeligt anvendte absorptionsteknikker. Det er værd at nævne, at selve CMDS-metoden blev udviklet i den samme Toruń-gruppe. Amerikanerne fokuserede på CRDS-teknikken (den såkaldte cavity loss-metode, en absorptionsmetode), som desuden blev udsat for ikke-standardiserede kalibreringsprocedurer for at opnå mere nøjagtige resultater. Tyskerne på den anden side udførte målinger ved hjælp af Fourier-spektroskopimetoden - en meget almindeligt anvendt teknik, men også i dette tilfælde blev den forfinet ved hjælp af ikke-standardiserede kalibreringsprocedurer. Derudover blev der udført et enormt arbejde af en gruppe teoretikere fra London. Alle hold opnåede en konsistens på bedre end 1 promille.

"Måling med forskellige teknikker har den store fordel, at det giver mulighed for bedre kontrol af, om der er opstået en systematisk fejl. Sådanne fejl sker, og kan f.eks. forårsage, at alle overtonelinjeintensiteter kommer 2 procent for høje ud," forklarer Dr. Bielska . "Forskellige teknikker, forskellige laboratorier og uafhængigt udførte målinger reducerer denne risiko. Derudover binder teoretiske beregninger det hele sammen og bekræfter det."

Styrke i enighed og konsekvens

"Det er her, den største præstation af vores arbejde ligger. Vi har ikke kun vist, at det er muligt at opnå promille-enighed og sammenhæng, men vi har også vist, hvordan man gør det. Desuden kan denne tilgang også anvendes på andre, mere komplekse molekyler. Det er en stor udfordring, både på den teoretiske og eksperimentelle side, men den kan tackles," tilføjer Dr. Bielska.

Det fælles papir og tidligere samarbejder mellem laboratorier er kun begyndelsen. Det uformelle "konsortium" får allerede selskab af hold af videnskabsmænd fra forskellige universiteter, forsknings- og metrologiinstitutioner - de ønsker at fortsætte de igangsatte bestræbelser og udføre samtidige målinger af intensiteten af ​​andre molekylers overtonelinjer. Alt sammen med det formål at opnå de mest nøjagtige resultater og levere de referencedata, der er nødvendige for atmosfærisk forskning, metrologi, grundforskning og mange andre områder af moderne videnskab. + Udforsk yderligere

Forskere bruger fluor-dopingmetode til at konstruere katalysatorer med forbedret ydeevne