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, технология двойного гребня NIST теперь может 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 спектре лазера, в то время как специально подготовленные лучи прослеживают путь в воздухе. В настоящее время приложения включают обнаружение утечек из нефтяных и газовых установок, а также измерение выбросов от домашнего скота. 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 идентифицировать углекислый газ и метан, но не закись азота, озон или окись углерода.
Исследователи продемонстрировали новую систему на маршрутах длиной 600 метров и 2 километра. Свет от двух частотных гребней был объединен в оптическое волокно и передан с телескопа, расположенного на вершине здания NIST в Боулдере, штат Колорадо. Один луч направлялся на отражатель, расположенный на балконе другого здания, а второй луч – на отражатель на холме. 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 гребенки на две ветви, использовала специальное волокно и усилители, чтобы расширить и сдвинуть спектр каждой ветви по-разному и увеличить мощность, а затем реобъединила ветви в кристалле. Это производило свет среднего инфракрасного диапазона на более низкой частоте (более длинная длина волны), что было разницей между исходными цветами в двух ветвях.
Система была достаточно точной, чтобы зафиксировать изменения в атмосферных уровнях всех измеренных газов и согласовывалась с результатами обычного точечного датчика для окиси углерода и закиси 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 избытка 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, вторя другим исследованиям, предполагающим, что в воздухе меньше окиси углерода, чем предсказывает NEI, поставили первые точные цифры на референсные уровни или «инвентаризации» 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 на большие расстояния, как это уже было продемонстрировано для системы ближнего инфракрасного диапазона. Они также планируют повысить чувствительность обнаружения за счет увеличения мощности света и других настроек, чтобы обеспечить обнаружение дополнительных газов. 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.