Forskere måler atmosfærisk vanddamp ved hjælp af friluftsspektroskopi

Forskere har vist, at et nyt melleminfrarødt spektrometer præcist kan måle forholdet mellem forskellige former for vand - kendt som isotopologer - i atmosfærisk vanddamp gennem fri luft på lidt over 15 minutter. Isotopologforhold, som kan påvirkes af landbaseret vandfordampning og plantetranspiration, bruges til at udvikle modeller for klimaændringer og til at forstå, hvordan vand transporteres globalt i atmosfæren.

"Open-path sensing ved hjælp af dobbeltfrekvenskamme kan gøre atmosfærisk vanddampisotopologregistrering enklere og nemmere at anvende i fjerntliggende miljøer. Et bredere netværk af isotopologmålinger vil bidrage til forbedret numerisk vejrmodellering. De lange stråleveje, der kan opnås ved hjælp af dual-comb teknikken. vil muliggøre rumligt løste undersøgelser af vanddamptransport over naturlige økosystemer såvel som menneskeskabte (f.eks. gårde),« forklarede forsker Daniel Herman, National Institute of Standards and Technology (NIST). "Fremtidige lodrette søjlemålinger ved hjælp af kamme kan også forbedre kalibreringsprocedurer for isotopologmålinger ved hjælp af satellitter. Derudover kan sansning af vanddamp med dobbeltkamme også komplimentere andre nye luftkvalitetsapplikationer af bredbånds-midt-infrarød spektroskopi."

Daniel Herman fra NIST vil præsentere de nye resultater på Optica Imaging and Applied Optics Congress, 11.-15. juli 2022. Hermans foredrag er planlagt til den 11. juli 2022 kl. 11:45 PDT.

I dag er videnskabsmænd afhængige af netværk af punktsensorer til at analysere isotopologer i atmosfærisk vanddamp. Selvom disse netværk udvides, kræver de omhyggelig kalibrering for at opretholde nøjagtigheden over tid og mellem steder. Detektering af vanddamp i en friluftsvej kan eliminere behovet for kalibrering og gøre det lettere at fange storskala fordampning over reservoirer eller over hele vandskel.

Nøjagtig detektering af flere vanddampisotopologer i luften kræver dog et melleminfrarødt spektrometer med høj spektral opløsning, høj nøjagtighed og hurtige målehastigheder. For at opnå dette udviklede Herman og sine kolleger et nyt åbent mellem-infrarødt dual-comb spektrometer (DCS), der bruger nær-infrarøde femtosekund-laserimpulser og specialdesignede bølgeledere til at skabe bredbåndsmidt-infrarøde impulser i en kompakt pakke.

Forskerne testede det nye instrument ved at bruge det til at tage målinger over en 760 meter lang sti ved Platteville Atmospheric Observatory i Colorado. De fandt ud af, at instrumentet kunne fungere i marken i uger ad gangen uden at kræve indgreb. Dette gjorde det muligt for dem at erhverve flere måneders data under forskellige vejrforhold og temperaturer.

Målingerne opnået ved hjælp af DCS korrelerede godt med dem, der blev opnået ved hjælp af et punktsensornetværk, hvilket viser potentialet for åben-vejs DCS i karakterisering af atmosfærisk vanddamp.

Herman adds that "in order to expand isotopologue measurement networks, we are working to improve the accuracy of our technique by analyzing systematics in the detection setup. The sensitivity of the technique can be improved by using higher power combs to enable longer paths. Also, balanced detection technology will be implemented in the future to decrease technical noise." + Udforsk yderligere

Single laser produces high-power dual comb femtosecond pulses