Лазерные «гребенчатые» системы измеряют все первичные парниковые газы в воздухе

Лазер

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) модернизировали свой лазерный частотный гребенчатый прибор для одновременного измерения трех парниковых газов в воздухе — 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, двойная система NISTгребеньВ настоящее время технологии могут обнаруживать все четыре основных парниковых газа, что может помочь в понимании и мониторинге выбросов этих удерживающих тепло газов, связанных с изменением климата. Новейшая система гребней также может помочь оценить качество городского воздуха.

Эти приборы NIST идентифицируют газовые сигнатуры, точно измеряя количество света, поглощенного каждым цветом в широком спектре лазера, когда специально подготовленные лучи прокладывают путь в воздухе. В настоящее время он используется для обнаружения утечек из нефтегазовых установок, а также для измерения выбросов от домашнего скота. Гребенчатые системы могут измерять большее количество газов, чем обычные датчики, которые отбирают пробы воздуха в определенных местах. Расчески также обеспечивают большую точность и большую дальность действия по сравнению с аналогичными методами с использованием других источников света.

Последнее достижение NIST, описанное в новой статье, смещает анализируемый спектр света из ближнего инфракрасного диапазона в средний инфракрасный, что позволяет идентифицировать больше различных газов. Более старые системы гребней ближнего инфракрасного диапазона могут идентифицироватьдвуокись углеродаи метан, но не закись азота, озон илиугарный газ.

Исследователи продемонстрировали новую систему на маршрутах туда и обратно длиной 600 метров и 2 километра. Свет от двух частотных гребней был объединен воптическое волокнои передавалась с телескопа, расположенного на вершине здания NIST в Боулдере, штат Колорадо. Один луч был направлен на отражатель, расположенный на балконе другого здания, а второй луч — на отражатель на холме. Гребенчатый свет отражался от отражателя и возвращался в исходное место для анализа с целью идентификации газов в воздухе.

Частотный гребень является очень точной «линейкой» для измерения точных цветов света. Каждый «зубец» расчески обозначает свой цвет. Чтобы достичь 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 одного гребня на две ветви, использовала специальное волокно и усилители для расширения и смещения спектра каждой ветви по-разному и для увеличения мощности, а затем снова объединила ветви в кристалле. Это производило средний инфракрасный свет на более низкой частоте (более длинная длина волны), что и было разницей между исходными цветами в двух ветвях.

Система оказалась достаточно точной, чтобы регистрировать изменения атмосферных уровней всех измеряемых газов, и согласуется с результатами обычного точечного датчика дляуглеродмонооксид и закись азота. Основным преимуществом одновременного обнаружения нескольких газов является возможность измерения корреляции между ними. Например, измеренные соотношения углекислого газа и закиси азота согласуются с другими исследованиями выбросов от дорожного движения. Кроме того, соотношение избыточного окиси углерода по отношению к углекислому газу согласуется с аналогичными городскими исследованиями, но составляет лишь около одной трети от уровней, прогнозируемых Национальным кадастром выбросов США (NEI). Эти уровни дают представление о том, насколько эффективно сгорает топливо в источниках выбросов, таких как автомобили.

Измерения NIST, вторя другим исследованиям, предполагающим, что в воздухе меньше окиси углерода, чем предсказывает NEI, ставят первые точные цифры на референтные уровни или «запасы» загрязняющих веществ в районе Боулдер-Денвер.

«Сравнение с NEI показывает, насколько сложно создавать кадастры, особенно те, которые охватывают большие территории, и что крайне важно иметь данные для обратной связи с кадастрами», — сказал ведущий автор исследования Кевин Коссел. «Это не то, что напрямую повлияет на большинство людей на ежедневной основе — инвентаризация просто пытается воспроизвести то, что происходит на самом деле. Тем не менее, для понимания и прогнозирования качества воздуха и воздействия на загрязнение специалисты по моделированию полагаются на кадастры, поэтому крайне важно, чтобы инвентаризация была правильной».

Исследователи планируют и дальше совершенствовать новый гребенчатый инструмент. Они планируют расширить радиус действия на большие расстояния, как это уже было продемонстрировано для системы ближнего инфракрасного диапазона. Они также планируют повысить чувствительность обнаружения за счет увеличениясветпитание 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.