Till vänster:Satellitbild av norra Colorado Front Range med stjärnor som indikerar platser för NEON CPER, NEON NIWO och PAO mätplatser. Bild:Google Earth. Höger:Skillnaden mellan PAO och CPER δD arkiveras som en funktion av PAO vindhastighet (i m/s) och riktning. I allmänhet är δD vid PAO större än CPER för vindar från nordost och lägre än CPER för kraftiga västliga vindar. Kredit:Optica
Forskare har visat att en ny mellaninfraröd spektrometer exakt kan mäta förhållandena mellan olika former av vatten – så kallade isotopologer – i atmosfärisk vattenånga genom friluft på lite över 15 minuter. Isotopologkvoter, som kan påverkas av landbaserad vattenavdunstning och växttranspiration, används för att utveckla modeller för klimatförändringar och för att förstå hur vatten transporteras globalt i atmosfären.
"Open-path sensing med hjälp av dubbelfrekvenskammar kan göra atmosfärisk vattenånga isotopologavkänning enklare och enklare att tillämpa i avlägsna miljöer. Ett bredare nätverk av isotopologmätningar kommer att bidra till förbättrad numerisk vädermodellering. De långa strålvägarna som kan uppnås med dual-comb-tekniken kommer att möjliggöra rumsligt lösta studier av vattenångatransport över naturliga ekosystem såväl som mänskliga konstruerade (t.ex. gårdar), " förklarade forskaren Daniel Herman, National Institute of Standards and Technology (NIST). "Framtida vertikala kolumnmätningar med hjälp av kammar kan också förbättra kalibreringsprocedurerna för isotopologmätning med satelliter. Dessutom kan avkänning av vattenånga med dubbla kammar också komplettera andra nya luftkvalitetstillämpningar av bredband mellan infraröd spektroskopi."
Daniel Herman från NIST kommer att presentera de nya rönen på Optica Imaging and Applied Optics Congress, 11–15 juli 2022. Hermans föredrag är planerat till 11 juli 2022, kl. 11:45 PDT.
Idag förlitar sig forskare på nätverk av punktsensorer för att analysera isotopologer i atmosfärisk vattenånga. Även om dessa nätverk expanderar kräver de noggrann kalibrering för att bibehålla noggrannheten över tid och mellan platser. Att upptäcka vattenånga i en utomhusbana kan eliminera behovet av kalibrering och göra det lättare att fånga upp storskalig avdunstning ovanför reservoarer eller över hela vattendelar.
Att noggrant detektera flera vattenångisotopologer i luften kräver en mellaninfraröd spektrometer med hög spektral upplösning, hög noggrannhet och snabba mäthastigheter. För att åstadkomma detta utvecklade Herman och kollegor en ny öppen väg mellaninfraröd dual-comb spektrometer (DCS) som använder nära-infraröda femtosekundlaserpulser och specialdesignade vågledare för att skapa bredbandiga mellaninfraröda pulser i ett kompakt paket.
Forskarna testade det nya instrumentet genom att använda det för att göra mätningar över en 760 meter lång väg vid Platteville Atmospheric Observatory i Colorado. De fann att instrumentet kunde fungera i fält i veckor i taget utan att behöva ingripa. Detta gjorde det möjligt för dem att skaffa flera månaders data under en mängd olika väderförhållanden och temperaturer.
Mätningarna som erhölls med DCS korrelerade väl med de som erhölls med hjälp av ett punktsensornätverk, vilket visar potentialen för öppen väg DCS för att karakterisera atmosfärisk vattenånga.
Herman adds that "in order to expand isotopologue measurement networks, we are working to improve the accuracy of our technique by analyzing systematics in the detection setup. The sensitivity of the technique can be improved by using higher power combs to enable longer paths. Also, balanced detection technology will be implemented in the future to decrease technical noise." + Utforska vidare
