Лазерные гребенчатые системы NIST теперь измеряют все первичные парниковые газы в воздухе

В сочетании с более ранней версией системы измерения метана технология двойных гребенок NIST теперь может определять все четыре основных парниковых газа, что может помочь в понимании и мониторинге выбросов этих улавливающих тепло газов, причастных к изменению климата. Новейшая гребенчатая система также может помочь оценить качество городского воздуха.

Эти инструменты NIST идентифицируют газовые сигнатуры, точно измеряя количество света, поглощенного каждым цветом в широком спектре лазера, поскольку специально подготовленные лучи прослеживают путь через воздух. Текущие приложения включают обнаружение утечек из нефтегазовых установок, а также измерение выбросов от домашнего скота.

Гребенчатые системы могут измерять большее количество газов, чем обычные датчики, отбирающие воздух в определенных местах. Гребни также обеспечивают большую точность и большую дальность действия, чем аналогичные методы с использованием других источников света.

Последнее достижение NIST, описанное в новой статье, сдвигает спектр анализируемого света из ближнего инфракрасного в средний инфракрасный, что позволяет идентифицировать больше различных газов. Более старые гребенчатые системы ближнего инфракрасного диапазона могут определять углекислый газ и метан, но не закись азота, озон или окись углерода.
Исследователи продемонстрировали новую систему на трассах длиной 600 метров и 2 километра в оба конца. Свет от двух частотных гребенок был объединен в оптическом волокне и передавался от телескопа, расположенного на крыше здания NIST в Боулдере, штат Колорадо.

Один луч направлялся в отражатель, расположенный на балконе другого здания, а второй луч – в отражатель на холме. Свет гребенки отразился от отражателя и вернулся в исходное место для анализа с целью определения газов в воздухе.
Частотная гребенка – очень точная «линейка» для измерения точных цветов света.

Каждый гребешок «зуб» обозначает свой цвет. Для достижения средней инфракрасной части спектра ключевым компонентом является специально разработанный кристаллический материал, известный как ниобат лития с периодической полярностью, 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 для расширения и сдвига спектра каждой ветви по-разному и для увеличения мощности, а затем повторно объединила ветви в кристалле.

Это производило средний инфракрасный свет на более низкой частоте (более длинную длину волны), которая была разницей между исходными цветами в двух ветвях.
Система была достаточно точной, чтобы улавливать колебания уровней всех измеряемых газов в атмосфере, и согласовывалась с результатами обычного точечного датчика для монооксида углерода и закиси азота. Основным преимуществом одновременного обнаружения нескольких газов является возможность измерения корреляции между ними. Например, измеренные отношения углекислого газа к закиси азота согласуются с другими исследованиями выбросов от транспортных средств.

Кроме того, соотношение избытка окиси углерода и углекислого газа соответствовало аналогичным городским исследованиям, но составляло лишь около одной трети уровней, предсказанных U.S. Национальный кадастр выбросов (NEI). Эти уровни служат мерой того, насколько эффективно сжигается топливо в источниках выбросов, таких как автомобили.
Измерения NIST, перекликающиеся с другими исследованиями, предполагающими, что в воздухе меньше окиси углерода, чем прогнозирует NEI, ставят первые точные цифры на контрольные уровни или «инвентарные количества» загрязняющих веществ в районе Боулдер-Денвер.

«Сравнение с NEI показывает, насколько сложно создавать запасы, особенно охватывающие большие площади, и что критически важно иметь данные, которые можно было бы использовать для инвентаризации», – сказал ведущий автор Кевин Коссел. "Это не то, что будет напрямую влиять на большинство людей на повседневной основе – инвентаризация просто пытается воспроизвести то, что на самом деле происходит. Однако для понимания и прогнозирования воздействий на качество воздуха и загрязнения разработчики моделей полагаются на инвентаризацию, поэтому крайне важно, чтобы инвентаризация была правильной."
Исследователи планируют и дальше улучшать новый гребенчатый инструмент.

Они планируют расширить зону действия на большие расстояния, как уже было продемонстрировано для системы ближнего инфракрасного диапазона. Они также планируют повысить чувствительность обнаружения за счет увеличения мощности света и других настроек, позволяющих 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.

1 комментарий к “Лазерные гребенчатые системы NIST теперь измеряют все первичные парниковые газы в воздухе”

Оставьте комментарий