Los sistemas láser tipo 'peine' miden todos los gases de efecto invernadero primarios en el aire

Láser

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han mejorado su instrumento de peine de frecuencia láser para medir simultáneamente tres gases de efecto invernadero en el aire: óxido nitroso, dióxido de carbono y vapor de agua, además de los principales contaminantes atmosféricos ozono y monóxido de carbono.

Combinado con una versión anterior del sistema que mide el metano, el dual del NISTpeineLa tecnología ahora puede detectar los cuatro principales gases de efecto invernadero, lo que podría ayudar a comprender y monitorizar las emisiones de estos gases que atrapan el calor y están implicados en el cambio climático. El sistema de peine más reciente también puede ayudar a evaluar la calidad del aire urbano.

Estos instrumentos del NIST identifican las firmas gaseosas midiendo con precisión la cantidad de luz absorbida en cada color del amplio espectro láser mientras haces especialmente preparados trazan un camino a través del aire. Las aplicaciones actuales incluyen la detección de fugas en instalaciones de petróleo y gas, así como la medición de emisiones del ganado. Los sistemas de peine pueden medir un mayor número de gases que los sensores convencionales que muestrean aire en ubicaciones específicas. Los peines también ofrecen mayor precisión y mayor alcance que técnicas similares que otras fuentes de luz.

El último avance del NIST, descrito en un nuevo artículo, desplaza el espectro de luz analizada del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, permitiendo la identificación de más y diferentes gases. Los sistemas de peine antiguos, de infrarrojo cercano, pueden identificarDióxido de carbonoy metano pero no óxido nitroso, ozono oMonóxido de carbono.

Los investigadores demostraron el nuevo sistema sobre trayectorias de ida y vuelta con longitudes de 600 metros y 2 kilómetros. La luz de dos peines de frecuencia se combinó enFibra ópticay transmitido desde un telescopio situado en la cima de un edificio del NIST en Boulder, Colorado. Un haz se enviaba a un reflector situado en un balcón de otro edificio, y un segundo hache a un reflector en una colina. La luz del peine rebotaba en el reflector y regresaba a la ubicación original para su análisis e identificar los gases en el aire.

Un peine de frecuencia es una "regla" muy precisa para medir los colores exactos de la luz. Cada "diente" de peine identifica un color diferente. Para alcanzar la parte del infrarrojo medio del espectro, el componente clave es un material cristalino especialmente diseñado, conocido como niobato de litio periódicamente polado, que convierte la luz entre dos colores. El sistema de este experimento dividió la luz del infrarrojo cercano de un peine en dos ramas, utilizó fibra especial y amplificadores para ampliar y desplazar el espectro de cada rama de forma diferente y aumentar la potencia, y luego recombinó las ramas del cristal. Esto producía luz infrarroja media a una frecuencia más baja (longitud de onda más larga), que era la diferencia entre los colores originales en ambas ramas.

El sistema era lo suficientemente preciso como para captar variaciones en los niveles atmosféricos de todos los gases medidos y coincidía con los resultados de un sensor puntual convencional paraCarbonomonóxido y óxido nitroso. Una gran ventaja de detectar múltiples gases a la vez es la capacidad de medir correlaciones entre ellos. Por ejemplo, las proporciones medidas de dióxido de carbono respecto al óxido nitroso coincidían con otros estudios sobre emisiones del tráfico. Además, la proporción de monóxido de carbono en exceso frente a dióxido de carbono coincidía con estudios urbanos similares, pero era solo aproximadamente un tercio de los niveles previstos por el Inventario Nacional de Emisiones (NEI) de EE. UU. Estos niveles proporcionan una medida de la eficiencia de la combustión de combustible en fuentes de emisiones como los coches.

Las mediciones del NIST, en eco de otros estudios que sugieren que hay menos monóxido de carbono en el aire de lo que predice el NEI, establecen los primeros números concretos en los niveles de referencia o 'inventarios' de contaminantes en el área de Boulder-Denver.

"La comparación con el NEI muestra lo difícil que es crear inventarios, especialmente los que cubren grandes áreas, y que es fundamental contar con datos para alimentar los inventarios", dijo el autor principal Kevin Cossel. "Esto no es algo que afecte directamente a la mayoría de la gente en el día a día: el inventario solo intenta replicar lo que realmente está ocurriendo. Sin embargo, para entender y predecir los impactos en la calidad del aire y la contaminación, los modeladores se basan en los inventarios, por lo que es fundamental que los inventarios sean correctos."

Los investigadores planean mejorar aún más el nuevo instrumento de peine. Planean ampliar el alcance a distancias mayores, como ya se ha demostrado en el sistema de infrarrojo cercano. También planean aumentar la sensibilidad de detección incrementando laluzpotencia y otros ajustes, para permitir la detección de gases adicionales. Por último, están trabajando para hacer el sistema más compacto y robusto. Estos avances pueden ayudar a mejorar la comprensión de la calidad del aire, específicamente la interacción de factores que influyen en la formación de ozono.