Lazer 'tarak' sistemleri havadaki tüm birincil sera gazlarını ölçer

Lazer

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) araştırmacılar, havadaki üç sera gazını (azot oksit, karbon dioksit ve su buharı) ve ayrıca başlıca hava kirleticileri ozon ve karbon monoksiti aynı anda ölçmek için lazer frekansı tarak cihazlarını geliştirdiler.

Metanı ölçen sistemin daha önceki bir sürümü ile birleştiğinde, NIST'in ikilitarakTeknoloji artık dört ana sera gazının tümünü algılayabiliyor ve bu da iklim değişikliğinde rol oynayan bu ısı tutucu gazların emisyonlarının anlaşılmasına ve izlenmesine yardımcı olabilir. En yeni tarak sistemi, kentsel hava kalitesinin değerlendirilmesine de yardımcı olabilir.

Bu NIST cihazları, özel olarak hazırlanmış ışınlar havada bir yol izlerken, geniş lazer spektrumundaki her renkte emilen ışık miktarlarını hassas bir şekilde ölçerek gaz imzalarını tanımlar. Mevcut uygulamalar, petrol ve gaz tesislerinden sızıntıların tespit edilmesinin yanı sıra hayvancılıktan kaynaklanan emisyonların ölçülmesini içerir. Tarak sistemleri, belirli konumlarda hava örneklemesi yapan geleneksel sensörlerden daha fazla sayıda gazı ölçebilir. Taraklar ayrıca diğer ışık kaynaklarını kullanan benzer tekniklerden daha fazla hassasiyet ve daha uzun menzil sunar.

NIST'in yeni bir makalede açıklanan en son ilerlemesi, analiz edilen ışık spektrumunu yakın kızılötesinden orta kızılötesine kaydırarak daha fazla ve farklı gazların tanımlanmasını sağlıyor. Daha eski, yakın kızılötesi tarak sistemleri tanımlayabilirkarbondioksitve metan ama azot oksit değil, ozon veyakarbon monoksit.

Araştırmacılar, yeni sistemi 600 metre ve 2 kilometre uzunluğundaki gidiş-dönüş yollarında gösterdiler. İki frekans tarağından gelen ışık şurada birleştirildi:fiber optikve Colorado, Boulder'daki bir NIST binasının tepesinde bulunan bir teleskoptan iletildi. Bir ışın başka bir binanın balkonunda bulunan bir reflektöre, ikinci bir ışın ise bir tepedeki reflektöre gönderildi. Tarak ışığı reflektörden yansıdı ve havadaki gazları tanımlamak için analiz için orijinal konumuna geri döndü.

Frekans tarağı, ışığın tam renklerini ölçmek için çok hassas bir "cetvel" dir. Her tarak "diş" farklı bir rengi tanımlar. Spektrumun orta kızılötesi kısmına ulaşmak için anahtar bileşen, ışığı iki renk arasında dönüştüren, periyodik olarak kutuplu lityum niyobat olarak bilinen özel olarak tasarlanmış bir kristal malzemedir. Bu deneydeki sistem, yakın kızılötesi ışığı bir taraktan iki dala ayırdı, her dalın spektrumunu farklı şekilde genişletmek ve kaydırmak ve gücü artırmak için özel fiber ve amplifikatörler kullandı, ardından kristaldeki dalları yeniden birleştirdi. Bu, iki daldaki orijinal renkler arasındaki fark olan daha düşük bir frekansta (daha uzun dalga boyu) orta kızılötesi ışık üretti.

Sistem, ölçülen tüm gazların atmosferik seviyelerindeki değişimleri yakalayacak kadar hassastı ve geleneksel bir nokta sensöründen elde edilen sonuçlarla hemfikirdi.karbonmonoksit ve azot oksit. Aynı anda birden fazla gazı tespit etmenin en büyük avantajı, aralarındaki korelasyonları ölçme yeteneğidir. Örneğin, ölçülen karbondioksit ve azot oksit oranları, trafikten kaynaklanan diğer emisyon çalışmaları ile aynı fikirdeydi. Ek olarak, aşırı karbon monoksitin karbondioksite karşı oranı benzer kentsel çalışmalarla aynı fikirdeydi, ancak ABD Ulusal Emisyon Envanteri (NEI) tarafından tahmin edilen seviyelerin sadece üçte biri kadardı. Bu seviyeler, arabalar gibi emisyon kaynaklarında yakıtın ne kadar verimli bir şekilde yandığının bir ölçüsünü sağlar.

NIST ölçümleri, havada NEI'nin öngördüğünden daha az karbon monoksit olduğunu öne süren diğer çalışmaları yineleyerek, Boulder-Denver bölgesindeki kirleticilerin referans seviyelerine veya 'envanterlerine' ilk sert sayıları koydu.

Baş yazar Kevin Cossel, "NEI ile yapılan karşılaştırma, özellikle geniş alanları kapsayan envanterler oluşturmanın ne kadar zor olduğunu ve envanterlere geri besleme yapmak için verilere sahip olmanın kritik olduğunu gösteriyor" dedi. "Bu, çoğu insanı günlük olarak doğrudan etkileyecek bir şey değil - envanter sadece gerçekte olanları kopyalamaya çalışıyor. Bununla birlikte, hava kalitesini ve kirlilik etkilerini anlamak ve tahmin etmek için modelleyiciler envanterlere güvenir, bu nedenle envanterlerin doğru olması çok önemlidir.

Araştırmacılar yeni tarak aletini daha da geliştirmeyi planlıyorlar. Yakın kızılötesi sistem için zaten gösterildiği gibi, erişimi daha uzun mesafelere genişletmeyi planlıyorlar. Ayrıca,ışıkek gazların algılanmasını sağlamak için güç ve diğer ince ayarlar. Son olarak, sistemi daha kompakt ve sağlam hale getirmek için çalışıyorlar. Bu ilerlemeler, hava kalitesinin, özellikle de ozon oluşumunu etkileyen faktörlerin etkileşiminin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olabilir.