Lazer 'tarak' sistemleri, havadaki tüm birincil sera gazlarını ölçür

Lazer

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden (NIST) araştırmacılar, lazer frekans tarak cihazlarını aynı anda üç havadan çıkan sera gazını—azot oksit, karbondioksit ve su buharı—ile birlikte başlıca hava kirleticileri ozon ve karbon monoksit ölçecek şekilde geliştirdiler.

Metan ölçümünü sağlayan önceki bir sistem sürümüyle birleşince, NIST'in dualtarakTeknoloji artık dört ana sera gazını da algılayabiliyor; bu da iklim değişikliğiyle ilişkili bu ısı tutucu gazların emisyonlarını anlamaya ve izlemeye yardımcı olabilir. En yeni tarak sistemi ayrıca kentsel hava kalitesini değerlendirmeye yardımcı olabilir.

Bu NIST cihazları, özel hazırlanmış ışınların havada bir yol çizdiği geniş lazer spektrumundaki her rengde emilen ışık miktarını hassas bir şekilde ölçerek gaz imzalarını tespit eder. Mevcut uygulamalar arasında petrol ve gaz tesislerinden kaçan sızıntıların tespit edilmesi ve hayvan emisyonlarının ölçülmesi yer almaktadır. Tarak sistemleri, belirli yerlerde hava örnekleri alan geleneksel sensörlerden daha fazla gaz miktarını ölçebiliyor. Peşekler ayrıca diğer ışık kaynaklarını kullanan benzer tekniklere göre daha yüksek hassasiyet ve daha uzun menzil sunar.

NIST'in yeni bir makalede anlattığı son ilerleme, analiz edilen ışık spektrumunu yakın kızılötesinden orta kızılötesine kaydırarak daha fazla ve farklı gazın tanımlanmasını mümkün kılar. Eski, yakın kızılötesi tarak sistemleri ise tanımlayabilirkarbondioksitve metan ama azot oksit, ozon veya değilKarbon monoksit.

Araştırmacılar, yeni sistemi 600 metre ve 2 kilometre uzunluğundaki gidiş-dönüş yollarında gösterdiler. İki frekans taragından gelen ışık birleştirildioptik fiberve Boulder, Colorado'daki bir NIST binasının tepesinde bulunan bir teleskoptan iletim yapıldı. Bir ışın başka bir binanın balkonunda bulunan reflektöre, ikinci ışın ise bir tepedeki reflektöre gönderildi. Tarak ışığı reflektörden yansıyıp havadaki gazları tanımlamak için analiz için orijinal konumuna geri döndü.

Frekans tarak ışığın tam renklerini ölçmek için çok hassas bir "cetvel"dir. Her tarak "dişi" farklı bir rengi tanımlar. Spektrumun orta-kızılötesi kısmına ulaşmak için temel bileşen, ışığı iki renk arasında dönüştüren periyodik kutuplu lityum niobat olarak bilinen özel mühendislik edilmiş bir kristal malzemedir. Bu deneydeki sistem, bir taraktan gelen yakın kızılötesi ışığı iki dala böldü, özel lif ve amplifikatörler kullanarak her dalın spektrumunu farklı şekilde genişletti ve kaydırdı ve gücü artırdı, ardından kristaldeki dalları yeniden birleştirdi. Bu, iki daldaki orijinal renkler arasındaki farkı oluşturan daha düşük frekansta (daha uzun dalga boyu) orta kızılötesi ışık üretti.

Sistem, ölçülen tüm gazların atmosfer seviyelerindeki değişimleri yakalayacak kadar hassattı ve geleneksel bir nokta sensörünün sonuçlarıyla uyumluydukarbonmonooksit ve azot oksit. Birden fazla gazı aynı anda tespit etmenin büyük avantajı, aralarındaki korelasyonları ölçebilme yeteneğidir. Örneğin, karbondioksit ile azot oksit oranları ölçülmüş, trafik emisyonlarına dair diğer çalışmalarla uyumludur. Ayrıca, fazla karbon monoksit ile karbondioksit oranı benzer kentsel çalışmalarla örtüşüyordu ancak ABD Ulusal Emisyon Envanteri (NEI) tarafından öngörülen seviyelerin sadece üçte biri kadardı. Bu seviyeler, otomobiller gibi emisyon kaynaklarında yakıtın ne kadar verimli yandığını ölçer.

NIST ölçümleri, NEI'nin öngördüğünden daha az karbon monoksit olduğunu gösteren diğer çalışmaları da yankılarak, Boulder-Denver bölgesindeki kirleticilerin referans seviyeleri veya 'envanterleri' üzerine ilk kesin rakamları ortaya koydu.

"NEI ile karşılaştırma, özellikle geniş alanları kapsayan envanter oluşturmanın ne kadar zor olduğunu ve envanterlere geri dönük veri sahibi olmanın kritik olduğunu gösteriyor," dedi baş yazar Kevin Cossel. "Bu, çoğu insanı günlük olarak doğrudan etkileyecek bir şey değil—envanter sadece gerçekte olanları taklit etmeye çalışıyor. Ancak, hava kalitesi ve kirlilik etkilerini anlamak ve tahmin etmek için modelleyiciler envanterlere güveniyor, bu yüzden envanterlerin doğru olması kritik öneme sahip."

Araştırmacılar yeni tarak aletini daha da geliştirmeyi planlıyor. Yakın kızılötesi sisteminde zaten gösterildiği gibi, erişimi daha uzun mesafelere genişletmeyi planlıyorlar. Ayrıca, tespit hassasiyetini artırarakışıkgüç ve diğer ayarlamalar, ek gazların tespit edilmesini mümkün kılardı. Son olarak, sistemi daha kompakt ve sağlam hale getirmek için çalışıyorlar. Bu gelişmeler, özellikle ozon oluşumunu etkileyen faktörlerin etkileşimi olmak üzere, hava kalitesinin anlaşılmasını artırmaya yardımcı olabilir.