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

Лазер

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) модернизировали свой лазерный прибор частотного гребня, позволяющий одновременно измерять три парниковых газа в воздухе — закись азота, углекислый газ и водяной пар — а также основные загрязнители воздуха: озон и угарный газ.

В сочетании с более ранней версией системы, измеряющей метан, двойной системой NISTГребеньТехнологии теперь могут определять все четыре основных парниковых газа, что может помочь понять и контролировать выбросы этих теплозахватывающих газов, причастных к изменению климата. Новейшая система гребень также помогает оценить качество городского воздуха.

Эти приборы NIST определяют газовые сигнатуры, точно измеряя количество поглощённого света при каждом цвете широкого спектра лазера, когда специально подготовленные лучи прокладывают путь в воздухе. Текущие применения включают обнаружение утечек с нефтегазовых установок, а также измерение выбросов от скота. Системы гребень могут измерять большее количество газов, чем обычные датчики, отбирающие пробы воздуха в определённых местах. Гребни также обеспечивают большую точность и большую дальность, чем аналогичные методы с другими источниками света.

Последнее достижение NIST, описанное в новой статье, смещает спектр света, анализируемого из ближнего инфракрасного в среднеинфракрасный, что позволяет идентифицировать больше и различные виды газов. Старые системы ближнего инфракрасного гребня могут идентифицироватьУглекислый гази метан, но не закись азота, озон и неУгарный газ.

Исследователи продемонстрировали новую систему на маршрутах круга длиной 600 метров и 2 километра. Свет от двух частотных гребней комбинировался вОптоволокнои передавалась с телескопа, расположенного на вершине здания NIST в Боулдере, штат Колорадо. Один луч направлялся на отражатель, расположенный на балконе другого здания, а второй — на отражатель на холме. Гребень отражался от отражателя и возвращался на исходное место для анализа с целью идентификации газов в воздухе.

Частотный гребень — это очень точный «линейка» для измерения точных цветов света. Каждый «зуб» гребня обозначает разный цвет. Для достижения среднеинфракрасной части спектра ключевым компонентом является специально разработанный кристаллический материал, известный как периодически поляризованный литий-ниобат, который преобразует свет между двумя цветами. Система в этом эксперименте делила ближний инфракрасный свет с одного гребня на две ветви, использовала специальные волокна и усилители для расширения и смещения спектра каждой ветви по-разному, а также для увеличения мощности, затем воссоединяла ветви в кристалле. Это создавало среднеинфракрасный свет на более низкой частоте (длинной длине волны), что было разницей между исходными цветами в двух ветвях.

Система была достаточно точной, чтобы фиксировать изменения уровней атмосферы всех измеренных газов и совпадала с результатами обычного точечного датчикаУглеродМонооксид и закись азота. Главное преимущество одновременного обнаружения нескольких газов — возможность измерять корреляции между ними. Например, измеренные соотношения углекислого газа к закиси азота совпадали с другими исследованиями выбросов от транспорта. Кроме того, соотношение избытка угарного газа и углекислого газа совпадало с аналогичными городскими исследованиями, но составляло лишь примерно треть уровней, прогнозируемых Национальным инвентарем выбросов США (NEI). Эти уровни позволяют измерить эффективность топлива в источниках выбросов, таких как автомобили.

Измерения NIST, повторяя другие исследования, показывающие, что в воздухе меньше угарного газа, чем прогнозирует NEI, впервые подтвердили эталонные уровни или «запасы» загрязнителей в районе Боулдер-Денвер.

«Сравнение с NEI показывает, насколько сложно создавать запасы, особенно если они охватывают большие площади, и что крайне важно иметь данные, которые можно возвращать в запасы», — сказал ведущий автор Кевин Коссел. «Это не то, что напрямую повлияет на большинство людей в повседневной жизни — инвентаризация просто пытается воспроизвести то, что происходит на самом деле. Однако для понимания и прогнозирования качества воздуха и воздействия на загрязнение моделисты полагаются на инвентаризации, поэтому крайне важно, чтобы инвентаризации были точными.»

Исследователи планируют дальнейшее усовершенствовать новый гребень. Они планируют расширить радиус действия на большие расстояния, как уже было показано для системы ближнего инфракрасного диапазона. Они также планируют повысить чувствительность к обнаружению, увеличивСветПитание и другие настройки, позволяющие обнаруживать дополнительные газы. Наконец, они работают над тем, чтобы сделать систему более компактной и надёжной. Эти достижения могут помочь лучше понять качество воздуха, в частности взаимодействие факторов, влияющих на образование озона.