激光梳状系统现在可以测量空气中的所有主要温室气体

激光梳测量温室气体

NIST的研究人员使用激光频率梳式仪器(如图右下)同时测量了三种空气中的温室气体——氧化亚氮、二氧化碳和水蒸气加上主要的空气污染物臭氧和一氧化碳,从科罗拉多州博尔德的NIST建筑到另一座建筑阳台上的反射器和附近山上的反射器的两条往返路径(箭头)。信贷:n Hanacek / NIST

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员已经升级了他们的激光频率梳仪器,以同时测量三种空气中的温室气体——氧化亚氮、二氧化碳和水蒸气——以及主要的空气污染物臭氧和一氧化碳。

结合较早版本的测量甲烷的系统,NIST的双梳理技术现在可以感知所有四个主要温室气体,这可能有助于了解和监测涉及气候变化的这些热捕集气体的排放。最新的梳理系统还可以帮助评估城市空气质量。

NIST的仪器通过精确测量宽激光光谱中每一种颜色所吸收的光量来识别气体特征,因为特制的光束会在空气中追踪一条路径。当前的应用程序包括检测泄漏从石油和天然气设施以及测量排放量从牲畜。与传统的传感器相比,梳状系统可以测量更多的气体,而传统传感器只能在特定位置取样。与使用其他光源的类似技术相比,这种梳子还能提供更高的精度和更长的距离。

NIST在一篇新论文中描述的最新进展,将分析的光谱从近红外转移到中红外,使识别更多不同的气体成为可能。较老的近红外梳状系统可以识别二氧化碳和甲烷,但不能识别一氧化二氮、臭氧或一氧化碳。

研究人员在往返路径上展示了新系统,长度为600米,2公里。来自两个频率梳子的光在光纤中组合在光纤中,并从位于科罗拉多州博尔德的一座NIST建筑物顶部的望远镜传播。将一个光束送到位于另一个建筑物的阳台上的反射器,第二梁向山上的反射器。梳状光从反射器上弹出并返回到原始位置以进行分析以识别空气中的气体。

一个频率梳是一种非常精确的“尺子”,用于测量精确的光颜色。每个梳子“齿”识别不同的颜色。为了到达光谱的中红外部分,关键部件是一种特殊的工程晶体材料,称为周期性抛光铌酸锂,转换两种颜色之间的光。该实验中的系统将近红外光从一个梳子分成两个分支,使用特殊的光纤和放大器来拓宽和移位每个分支的光谱不同并提高功率,然后重新组合水晶中的分支。这在较低频率(更长波长)下产生中红外光,这是两个分支中原始颜色之间的差异。

该系统足够精确以捕获所有测量气体的大气水平的变化,并同意来自传统点传感器的一氧化碳和氧化亚氧化物的结果。一次检测多个气体的主要优点是能够测量它们之间的相关性。例如,测量二氧化碳与氧化亚氮的二氧化碳比例同意交通排放的其他研究。此外,过量一氧化碳与二氧化碳的比例与类似的城市研究同意,但仅仅约为美国国家排放量库存(NEI)的三分之一。这些级别提供了一种衡量汽车,如汽车等排放来源燃烧的措施。

NIST测量,在回荡其他研究中表明在空中中有较少的一氧化碳,而不是Nei预测,在博尔德丹佛地区的污染物中的参考水平或“清单”上的第一个硬度。

主要作者Kevin Cossel说:“与NEI的比较表明,创建库存是多么困难,特别是涉及大面积的库存,而且有数据反馈库存是至关重要的。”他说:“这不会对大多数人的日常生活产生直接影响,库存只是试图复制实际情况。然而,为了理解和预测空气质量和污染的影响,建模者确实依赖于清单,所以清单的正确性是至关重要的。”

研究人员计划进一步改进这种新型梳状仪器。他们计划将射程扩大到更长的距离,就像近红外系统已经演示的那样。他们还计划通过增加光功率和其他调整来提高探测灵敏度,使探测到更多的气体成为可能。最后,他们正在努力使系统更加紧凑和健壮。这些进展可能有助于提高对空气质量的理解,特别是影响臭氧形成的因素之间的相互作用。

参考:“用于4.5-5μm光谱区域的多数轨迹气体检测的开放式双梳谱”由Fabrizio R. Giorgetta,Jeff Peischl,Daniel I. Herman,Gabriel YCAS,Ian Coddington,Nathan R. Newbury和KevinC. COSSEL,2021年6月30日,激光与光子学评论
DOI:10.1002 / LPOR.202000583

这项工作是由国防高级研究计划局和NIST特别计划办公室资助的。

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