Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har uppgraderat sitt laserfrekvenskaminstrument för att samtidigt mäta tre luftburna växthusgaser - dikväveoxid, koldioxid och vattenånga – plus de största luftföroreningarna ozon och kolmonoxid.

I kombination med en tidigare version av systemet som mäter metan, NIST:s dubbla kamteknologi kan nu känna alla fyra primära växthusgaser, som skulle kunna hjälpa till att förstå och övervaka utsläpp av dessa värmefångande gaser som är inblandade i klimatförändringar. Det nyaste kamsystemet kan också hjälpa till att bedöma stadsluftens kvalitet.

Dessa NIST-instrument identifierar gassignaturer genom att exakt mäta mängden ljus som absorberas vid varje färg i det breda laserspektrumet när speciellt förberedda strålar spårar en väg genom luften. Nuvarande applikationer inkluderar att upptäcka läckor från olje- och gasinstallationer samt mäta utsläpp från boskap. Kammsystemen kan mäta ett större antal gaser än konventionella sensorer som provar luft på specifika platser. Kammarna erbjuder också större precision och längre räckvidd än liknande tekniker som använder andra ljuskällor.

NIST:s senaste framsteg, beskrivs i en ny tidning, förskjuter det ljusspektrum som analyseras från det nära infraröda till det mellersta infraröda, möjliggör identifiering av fler och olika gaser. Den äldre, nära-infraröda kamsystem kan identifiera koldioxid och metan men inte dikväveoxid, ozon eller kolmonoxid.

Forskare demonstrerade det nya systemet över tur- och returbanor med längder på 600 meter och 2 kilometer. Ljuset från två frekvenskammar kombinerades i optisk fiber och överfördes från ett teleskop som ligger högst upp i en NIST -byggnad i Boulder, Colorado. En stråle skickades till en reflektor placerad på en balkong i en annan byggnad, och en andra stråle till en reflektor på en kulle. Kamljuset studsade från reflektorn och återvände till den ursprungliga platsen för analys för att identifiera gaserna i luften.

En frekvenskam är en mycket exakt "linjal" för att mäta exakta ljusfärger. Varje kam "tand" identifierar en annan färg. För att nå den mellaninfraröda delen av spektrumet, nyckelkomponenten är ett speciellt framtaget kristallmaterial, känd som periodiskt polad litiumniobat, som omvandlar ljus mellan två färger. Systemet i detta experiment delar upp det nära-infraröda ljuset från en kam i två grenar, använde speciell fiber och förstärkare för att bredda och skifta spektrumet för varje gren på olika sätt och för att öka effekten, kombinerade sedan om grenarna i kristallen. Detta producerade mellaninfrarött ljus med en lägre frekvens (längre våglängd) som var skillnaden mellan de ursprungliga färgerna i de två grenarna.

Systemet var tillräckligt noggrant för att fånga variationer i atmosfäriska nivåer för alla uppmätta gaser och överensstämde med resultaten från en konventionell punktsensor för kolmonoxid och lustgas. En stor fördel med att detektera flera gaser samtidigt är möjligheten att mäta korrelationer mellan dem. Till exempel, uppmätta kvoter av koldioxid till dikväveoxid överensstämde med andra studier av utsläpp från trafiken. Dessutom, förhållandet mellan överskott av kolmonoxid och koldioxid överensstämde med liknande stadsstudier men var bara ungefär en tredjedel av nivåerna som förutspåddes av U.S. National Emissions Inventory (NEI). Dessa nivåer ger ett mått på hur effektivt bränsle förbränns i utsläppskällor som bilar.

NIST -mätningarna, i eko av andra studier som tyder på att det finns mindre kolmonoxid i luften än vad NEI förutspår, sätta de första hårda siffrorna på referensnivåer eller "inventeringar" av föroreningar i Boulder-Denver-området.

"Jämförelsen med NEI visar hur svårt det är att skapa inventeringar, särskilt som täcker stora områden, och att det är viktigt att ha data för att återkoppla till inventeringarna, ", sa huvudförfattaren Kevin Cossel. "Detta är inte något som direkt kommer att påverka de flesta människor på en daglig basis – inventeringen försöker bara replikera vad som faktiskt händer. Dock, för att förstå och förutsäga luftkvalitet och föroreningseffekter, modellbyggare förlitar sig på inventarierna, så det är kritiskt att inventeringarna är korrekta. "

Forskare planerar att ytterligare förbättra det nya kaminstrumentet. De planerar att utöka räckvidden till längre avstånd, som redan visats för det nära-infraröda systemet. De planerar också att öka detekteringskänsligheten genom att öka ljusstyrkan och andra justeringar, för att möjliggöra detektering av ytterligare gaser. Till sist, de arbetar med att göra systemet mer kompakt och robust. Dessa framsteg kan bidra till att förbättra förståelsen av luftkvaliteten, särskilt samspelet mellan faktorer som påverkar ozonbildningen.