Лазерные системы измеряют все первичные парниковые газы в воздухе

Лазер

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) модернизировали свой лазерный частотно-гребенчатый прибор для одновременного измерения трех переносимых по воздуху парниковых газов — закиси азота, углекислого газа и водяного пара, а также основных загрязнителей воздуха, озона и окиси углерода.

В сочетании с более ранней версией системы, которая измеряет метан, двойнойгребеньВ настоящее время технологии могут обнаруживать все четыре основных парниковых газа, что может помочь в понимании и мониторинге выбросов этих улавливающих тепло газов, связанных с изменением климата. Новейшая гребенчатая система также может помочь оценить качество воздуха в городе.

Эти приборы NIST идентифицируют газовые сигнатуры, точно измеряя количество света, поглощенного каждым цветом в широком лазерном спектре, в то время как специально подготовленные лучи прослеживают путь в воздухе. В настоящее время они используются для обнаружения утечек из нефтегазовых установок, а также для измерения выбросов от животноводства. Гребенчатые системы могут измерять большее количество газов, чем обычные датчики, которые отбирают пробы воздуха в определенных местах. Гребни также обеспечивают большую точность и больший радиус действия, чем аналогичные методы с использованием других источников света.

Последнее достижение NIST, описанное в новой статье, смещает спектр анализируемого света из ближнего инфракрасного в средний инфракрасный, позволяя идентифицировать больше различных газов. Более старые гребенчатые системы ближнего инфракрасного диапазона могут идентифицироватьдвуокись углеродаи метана, но не закиси азота, озона илиугарный газ.

Исследователи продемонстрировали новую систему на маршрутах длиной 600 метров и 2 километра. Свет от двух частотных гребенок был объединен вОптическое волокнои передан с телескопа, расположенного на крыше здания NIST в Боулдере, штат Колорадо. Один луч направлялся на отражатель, расположенный на балконе другого здания, а второй луч – на отражатель на возвышенности. Гребенчатый свет отражался от отражателя и возвращался в исходное положение для анализа с целью выявления газов в воздухе.

Частотный гребень – это очень точная «линейка» для измерения точных цветов света. Каждый «зубец» расчески идентифицирует свой цвет. Для достижения средней инфракрасной части спектра ключевым компонентом является специально разработанный кристаллический материал, известный как периодически поляризованный ниобат лития, который преобразует свет между двумя цветами. Система в этом эксперименте разделила ближний инфракрасный свет от одной соты на две ветви, использовала специальное волокно и усилители для расширения и сдвига спектра каждой ветви по-разному и для увеличения мощности, а затем реобъединила ветви в кристалле. Это производило свет среднего инфракрасного диапазона с более низкой частотой (более длинной волной), что было разницей между исходными цветами в двух ветвях.

Система была достаточно точной, чтобы зафиксировать изменения уровня всех измеряемых газов в атмосфере, и согласовывалась с результатами, полученными от обычного точечного датчика дляуглеродмонооксид и закись азота. Основным преимуществом одновременного обнаружения нескольких газов является возможность измерения корреляций между ними. Например, измеренные соотношения углекислого газа и закиси азота согласуются с другими исследованиями выбросов от транспорта. Кроме того, соотношение избыточного окиси углерода и углекислого газа согласовывалось с аналогичными городскими исследованиями, но составляло лишь около одной трети от уровней, предсказанных Национальным кадастром выбросов США (NEI). Эти уровни позволяют оценить, насколько эффективно топливо сгорает в источниках выбросов, таких как автомобили.

Измерения NIST, перекликающиеся с другими исследованиями, предполагающими, что в воздухе меньше окиси углерода, чем предсказывает NEI, дают первые точные цифры по референсным уровням или «инвентаризациям» загрязняющих веществ в районе Боулдер-Денвер.

«Сравнение с NEI показывает, насколько трудно создавать кадастры, особенно те, которые охватывают большие территории, и что очень важно иметь данные для обратной связи с кадастрами», — сказал ведущий автор исследования Кевин Коссел. «Это не то, что напрямую повлияет на большинство людей изо дня в день — инвентаризация просто пытается воспроизвести то, что происходит на самом деле. Тем не менее, для понимания и прогнозирования качества воздуха и воздействия загрязнения специалисты по моделированию полагаются на кадастры, поэтому очень важно, чтобы кадастры были правильными».

Исследователи планируют и дальше совершенствовать новый гребенчатый инструмент. Они планируют расширить радиус действия до больших расстояний, как это уже было продемонстрировано для системы ближнего инфракрасного диапазона. Они также планируют повысить чувствительность обнаружения, увеличивсветмощности и другие настройки, позволяющие обнаруживать дополнительные газы. Наконец, они работают над тем, чтобы сделать систему более компактной и надежной. Эти достижения могут помочь улучшить понимание качества воздуха, в частности, взаимодействия факторов, влияющих на образование озона.