Этот метод потенциально может быть использован несколькими способами для поддержки исследований атмосферных парниковых газов. Он может предоставить точные данные для поддержки текущего и будущего спутникового мониторинга состава атмосферы.
По мере развития более портативные системы, основанные на этой технологии, могли бы обеспечивать очень точный, непрерывный региональный мониторинг этих газов в километровом масштабе — возможности, которой не хватает нынешним методам мониторинга.В недавней демонстрации * пара лазерных частотных гребенок NIST измерила одновременные сигнатуры нескольких парниковых газов, включая углекислый газ, метан и водяной пар, на 2-километровом пути между крышей лаборатории NIST в Боулдере, штат Колорадо, и близлежащая гора.Частотные гребенки — это генерируемые лазером инструменты, состоящие из большого количества очень точно определенных частот, которые равномерно распределены, как зубцы на гребне кармана. Каждый гребенчатый «зубец» представляет индивидуальный цвет или частоту, что позволяет очень точно измерять характерные характеристики поглощения различных молекул интересующего газа.
Исследователи идентифицировали газы в атмосфере, измеряя количество гребенчатого света, поглощаемого на разных частотах во время его путешествия от крыши лаборатории NIST к зеркалу на мезе и обратно к детектору в лаборатории. Поскольку оптические частоты слишком высоки, чтобы их можно было измерить напрямую, исследователи позаимствовали уловку из раннего радио.
Они создали две гребни с немного разным расстоянием между зубами. Смешивание света от этих двухчастотных гребенок вместе создает частоту «биений», смещенную вниз в радиодиапазон, достаточно низкую, чтобы ее можно было измерить.
Это была первая демонстрация техники на больших дистанциях на открытом воздухе.Дистанционное зондирование атмосферных газов — например, со спутника — может выполняться с помощью обычных инструментов, называемых спектрометрами, но, хотя спутниковые инструменты имеют глобальный охват, они нечасто отбирают конкретные регионы на Земле.
Таким образом, региональные измерения выполняются с помощью точечных наземных датчиков, диапазон которых может измеряться в метрах и варьируется в зависимости от ветровых условий. Не существует портативных датчиков, которые могут измерять несколько газов на большом расстоянии с постоянными результатами.Гребневая система NIST была построена для обнаружения газов, включая углекислый газ, метан и воду, на расстоянии более 2 километров. В принципе, метод двойной гребенки может обнаруживать еще более широкий диапазон газов на многие километры.
Точность измеренного атмосферного пропускания обеспечивается четко определенным положением каждого зубца частотной гребенки. Поскольку этот метод быстро выполняет повторные измерения на одном и том же пути, он невосприимчив к искажениям сигнала, вызванным атмосферной турбулентностью. А поскольку измерения гребенки можно усреднить по всей длине трассы, а не полагаться на несколько точечных измерений, метод гребенки лучше соответствует масштабу моделей атмосферного переноса.
В демонстрации группа исследователей непрерывно собирала данные в течение трех дней при различных погодных условиях. Результаты были сопоставимы с данными, собранными ближайшим точечным датчиком при хорошо перемешанных атмосферных условиях. Измерения гребенкой также были очень точными — например, с погрешностью менее 1 части на миллион для углекислого газа, полученной за пять минут. Этого достаточно, чтобы обеспечить обнаружение небольшого увеличения количества газовых примесей из-за крупных распределенных источников, таких как города.
Будущие системы должны быть в состоянии достичь еще большей чувствительности в более короткие сроки.В целом, результаты исследования показывают, что метод двойной гребенки идеально подходит для точного, воспроизводимого обнаружения следовых газов в атмосфере и может способствовать разработке точных моделей для использования в глобальном спутниковом мониторинге парниковых газов. Исследователи NIST теперь планируют оптимизировать гребенчатую систему за счет увеличения мощности для улучшения чувствительности и расширения спектрального охвата для выявления дополнительных газов.
По словам исследователей, портативные частотные гребенчатые системы ** в конечном итоге могут поддерживать региональный мониторинг газа при затратах, сопоставимых с точечными датчиками, но в масштабе километра, который актуален для многих транспортных моделей и для мониторинга распределенных источников, таких как крупные города.