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

Láser

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han actualizado 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 del aire, el ozono y el monóxido de carbono.

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

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

El último avance del NIST, descrito en un nuevo artículo, cambia el espectro de luz analizado del infrarrojo cercano al infrarrojo medio, lo que permite la identificación de más gases y diferentes. Los sistemas de peine de infrarrojo cercano más antiguos pueden identificardióxido de carbonoy metano, pero no óxido nitroso, ozono umonóxido de carbono.

Los investigadores demostraron el nuevo sistema en caminos 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 ubicado en la parte superior de un edificio del NIST en Boulder, Colorado. Un haz se envió a un reflector ubicado en un balcón de otro edificio, y un segundo haz a un reflector en una colina. La luz del peine rebotó en el reflector y regresó a la ubicación original para su análisis e identificación de los gases en el aire.

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

El sistema era lo suficientemente preciso como para capturar las 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 en la detección de múltiples gases a la vez es la capacidad de medir las correlaciones entre ellos. Por ejemplo, las proporciones medidas de dióxido de carbono y óxido nitroso coincidían con otros estudios sobre las emisiones del tráfico. Además, la proporción de exceso de monóxido de carbono frente al dióxido de carbono coincidió con estudios urbanos similares, pero fue solo alrededor de un tercio de los niveles predichos por el Inventario Nacional de Emisiones (NEI) de EE. UU. Estos niveles proporcionan una medida de la eficiencia con la que el combustible se quema en fuentes de emisiones como los automóviles.

Las mediciones del NIST, haciéndose eco de otros estudios que sugieren que hay menos monóxido de carbono en el aire de lo que predice el NEI, pusieron los primeros números duros 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 tener datos para retroalimentar los inventarios", dijo el autor principal, Kevin Cossel. "Esto no es algo que afectará directamente a la mayoría de las personas en el día a día, el inventario solo está tratando de replicar lo que realmente está sucediendo. Sin embargo, para comprender y predecir la calidad del aire y los impactos de 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 extender el alcance a distancias más largas, como ya se ha demostrado para el sistema de infrarrojo cercano. También planean aumentar la sensibilidad de detección mediante el aumento de laluzpotencia y otros ajustes, para permitir la detección de gases adicionales. Por último, están trabajando para que el sistema sea más compacto y robusto. Estos avances pueden ayudar a mejorar la comprensión de la calidad del aire, específicamente la interacción de los factores que influyen en la formación de ozono.