Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare från Institutet för fysik vid Nicolaus Copernicus University deltog i forskning om intensiteten hos övertonslinjerna. Lag från National Institute of Standards and Technology i USA och Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Tyskland genomförde också sina mätningar. Teoretiska beräkningar utfördes av en grupp från University College London.
Forskningen publicerades i Physical Review Letters .
"Än så länge har det inte funnits något fall i litteraturen där intensiteten av molekylära övertonslinjer mätta med olika tekniker och i olika laboratorier överensstämmer på promillenivå med varandra och samtidigt med resultaten av oberoende teoretiska beräkningar", förklarar Dr. Katarzyna Bielska från institutionen för atom-, molekylär- och optisk fysik vid Nicolaus Copernicus University, den första författaren till artikeln.
"Det är viktigt att sådana exakta mätningar är extremt användbara överallt där vi spektroskopiskt vill bestämma innehållet av ämnen, t.ex. i studier av jordens atmosfär, såväl som i analysen av atmosfären i andra himlakroppar. Dessutom kommer de exakt erkända intensiteterna övertonslinjer kan användas för metrologiska ändamål, t.ex. för att utveckla temperatur- eller tryckstandarder."
Ideal kandidat:Kolmonoxid
Toruń-forskarna är främst inblandade i molekylär spektroskopi, och är intresserade av att studera molekylernas spektra (högupplösningsspektrumet för en relativt liten molekyl består av tusentals så kallade övertonslinjer), och i det här fallet fokuserade de särskilt på på att mäta intensiteten på övertonslinjerna.
Alla fyra teamen tog sig an kolmonoxid, vilket är särskilt lämpligt för denna typ av forskning. Å ena sidan är det en relativt enkel molekyl, men ur kvantmekaniska beräkningar är den redan komplex – så den lämpar sig både för att göra de mest exakta mätningarna och för att testa olika teorier.
"Kolmonoxid är 'vänligt' ur experimentell synvinkel. Det är visserligen farligt för oss, men om vi vet hur vi ska hantera det kan vi dra full nytta av de möjligheter det ger oss för forskning", säger Dr. Bielska. "Den har en ganska enkel spektral struktur, och den är också mindre benägen för experimentella komplikationer orsakade av adsorption och desorption från provets cellväggar än vatten, till exempel."
Grupper från Polen, Tyskland, USA och Storbritannien var angelägna om att mäta intensiteten i kolmonoxidövertonslinjerna så noggrant som möjligt och för att uppnå största möjliga konsekvens i resultaten. Precision inom detta område är verkligen avgörande.
"Om jag känner till intensiteten av övertonslinjen väl, och sedan mäter denna linje i ett okänt prov, kan jag sedan avgöra vad innehållet av detta absorberande ämne är i det provet. För att uttrycka det ännu tydligare:om jag mäter intensiteten av linjen i mitt kolmonoxidprov, och sedan ta en mätning, till exempel i luften i ett visst rum, så kan jag dra slutsatsen från detta att det finns exakt så mycket kolmonoxid i det rummet", förklarar Dr. Bielska. "Och det är därför kolmonoxid, eller mer exakt kunskapen om intensiteten av dess övertonslinjer, är användbar i atmosfäriska tillämpningar."
Det är dock viktigt att komma ihåg att när det gäller att testa kolmonoxidhalten i jordens atmosfär, är den nödvändiga noggrannheten i mätningarna tydligt definierad av World Meteorological Organization – laboratoriejämförelser av kolmonoxidhalten i ett prov bör inte skilja sig mer åt. än 2,5 promille.
"Denna 2,5 promille är redan en mycket hög noggrannhet. Tyvärr har det hittills vid granskning av den vetenskapliga litteraturen i ämnet visat sig att intensiteten för samma linjer som bestämts i olika laboratorier eller teoretiskt beräknats av olika forskargrupper kan skilja sig åt med upp till några procent, det vill säga 10, 20 gånger mer än den promille-noggrannhet som vi förväntar oss", säger Dr. Bielska.
Kolmonoxidmolekyler är viktiga i den globala uppvärmningsprocessen. Även om det finns mycket färre av dem i atmosfären än till exempel koldioxidmolekyler, har de en större global uppvärmningspotential på grund av de kemiska reaktioner som de är involverade i i atmosfären, vilket påverkar livslängden för andra viktiga molekyler:metan och ozon. Kraven på noggrannheten i spektroskopiska mätningar av kolmonoxid, liksom de av andra stora växthusgaser, ökar därför snabbt.
Olika vägar till målet
Varje grupp valde en annan mätmetod. Fysikerna från Nicolaus Copernicus University baserade sin på optisk kavitetsdispersion (CMDS), eftersom de nyligen har visat att det leder till resultat som är mer exakta än vanliga absorptionstekniker. Det är värt att nämna att själva CMDS-metoden utvecklades i samma Toruń-grupp. Amerikanerna fokuserade på CRDS-tekniken (den så kallade kavitetsförlustmetoden, en absorptionsmetod), som dessutom utsattes för icke-standardiserade kalibreringsprocedurer för att få mer exakta resultat. Tyskarna, å andra sidan, utförde mätningar med Fourier-spektroskopimetoden – en mycket vanlig teknik, men även i detta fall förfinades den med hjälp av icke-standardiserade kalibreringsprocedurer. Dessutom gjordes ett enormt arbete av en grupp teoretiker från London. Alla lag uppnådde en konsistens på bättre än 1 promille.
"Att mäta med olika tekniker har den stora fördelen att det möjliggör bättre verifiering av om något systematiskt fel har inträffat. Sådana fel inträffar och kan till exempel göra att alla övertonslinjers intensiteter blir 2 procent för höga", förklarar Dr Bielska . "Olika tekniker, olika laboratorier och oberoende utförda mätningar minskar denna risk. Dessutom binder teoretiska beräkningar ihop det hela och bekräftar det."
Styrka i samförstånd och konsekvens
"Det är här den största prestationen av vårt arbete ligger. Vi har inte bara visat att det är möjligt att uppnå promilleöverensstämmelse och konsekvens, utan vi har också visat hur man gör det. Dessutom kan detta tillvägagångssätt också tillämpas på andra, mer komplexa molekyler. Det är en stor utmaning, både på den teoretiska och experimentella sidan, men den kan tacklas", tillägger Dr. Bielska.
Det gemensamma papper och tidigare samarbeten mellan laboratorier är bara början. Det informella "konsortiet" får redan sällskap av team av forskare från olika universitet, forsknings- och metrologiinstitutioner - de vill fortsätta de påbörjade ansträngningarna och utföra samtidiga mätningar av intensiteten hos andra molekylers övertonslinjer. Allt i syfte att uppnå de mest exakta resultaten och tillhandahålla referensdata som är nödvändiga för atmosfärisk forskning, metrologi, grundforskning och många andra områden inom modern vetenskap. + Utforska vidare
