تقيس أنظمة الليزر "المشط" جميع غازات الدفيئة الأولية في الهواء
ليزر
قام باحثون في المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) بترقية جهاز مشط تردد الليزر لقياس ثلاثة غازات دفيئة محمولة جوا في الوقت نفسه—أكسيد النيتروز، ثاني أكسيد الكربون، وبخار الماء—بالإضافة إلى الملوثات الرئيسية للأوزون وأول أكسيد الكربون.وبالاقتران مع نسخة أقدم من النظام التي تقيس الميثان، فإن نظام NISTمشطيمكن للتكنولوجيا الآن استشعار جميع الغازات الدفيئة الأربع الأساسية، مما قد يساعد في فهم ومراقبة انبعاثات هذه الغازات المغلقة للحرارة المرتبطة بتغير المناخ. يمكن لأحدث نظام مشط أن يساعد أيضا في تقييم جودة الهواء الحضري.
تحدد هذه الأجهزة توقيعات الغاز بدقة من خلال قياس كميات الضوء الممتصة عند كل لون في طيف الليزر الواسع بينما تتبع الأشعة المعدة خصيصا مسارا عبر الهواء. تشمل التطبيقات الحالية اكتشاف التسربات من منشآت النفط والغاز بالإضافة إلى قياس الانبعاثات من المواشي. يمكن لأنظمة المشط قياس عدد أكبر من الغازات مقارنة بأجهزة الاستشعار التقليدية التي تأخذ عينات الهواء في مواقع محددة. كما توفر هذه المشطات دقة أكبر ومدى أطول مقارنة بالتقنيات المشابهة باستخدام مصادر ضوء أخرى.
أحدث تقدم للمعهد الوطني للهندسة للهندسة التقنية (NIST)، الذي وصف في ورقة بحثية جديدة، ينقل طيف الضوء الذي يتم تحليله من الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، مما يمكن من تحديد المزيد من الغازات المختلفة. أنظمة المشط القديمة القريبة من الأشعة تحت الحمراء يمكنها التعرف علىثاني أكسيد الكربونوالميثان لكن ليس أكسيد النيتروز أو الأوزون أوأول أكسيد الكربون.
عرض الباحثون النظام الجديد على مسارات ذهاب وعودة بأطوال 600 متر و2 كيلومتر. تم دمج الضوء القادم من مشطين تردديين فيالألياف البصريةوتم إرسالها من تلسكوب يقع في أعلى مبنى تابع للمعايير الوطنية للمعايير في بولدر، كولورادو. تم إرسال شعاع واحد إلى عاكس موجود على شرفة مبنى آخر، وشعاع ثان إلى عاكس على تل. انعكس ضوء المشط عن العاكس وعاد إلى الموقع الأصلي للتحليل لتحديد الغازات في الهواء.
مشط التردد هو "مسطرة" دقيقة جدا لقياس ألوان الضوء بدقة. كل "سن" مشط يحدد لونا مختلفا. للوصول إلى الجزء المتوسط تحت الأحمر من الطيف، المكون الرئيسي هو مادة بلورية مصممة خصيصا تعرف باسم نيوبات الليثيوم القطاب الدوري، والتي تحول الضوء بين لونين. قام النظام في هذه التجربة بتقسيم الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء من مشط واحد إلى فرعين، واستخدم ألياف خاصة ومضخمات لتوسيع وتحريك طيف كل فرع بشكل مختلف وزيادة القدرة، ثم أعاد دمج الفروع في البلورة. هذا ينتج ضوءا بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة بتردد أقل (طول موجي أطول) وهو الفرق بين الألوان الأصلية في الفرعين.
كان النظام دقيقا بما يكفي لالتقاط التغيرات في مستويات الغلاف الجوي لجميع الغازات المقاسة، ووافق على نتائج مستشعر نقطي تقليدي لكربونأول أكسيد وأكسيد النيتروز. ميزة رئيسية في اكتشاف عدة غازات في آن واحد هي القدرة على قياس الترابطات بينها. على سبيل المثال، اتفقت النسب المقاسة بين ثاني أكسيد الكربون إلى أكسيد النيتروز مع دراسات أخرى حول الانبعاثات الناتجة عن حركة المرور. بالإضافة إلى ذلك، اتفقت نسبة فائض أول أكسيد الكربون مقابل ثاني أكسيد الكربون مع دراسات حضرية مماثلة، لكنها كانت فقط حوالي ثلث المستويات المتوقعة من قبل الجرد الوطني للانبعاثات الأمريكية (NEI). توفر هذه المستويات مقياسا لمدى كفاءة احتراق الوقود في مصادر الانبعاثات مثل السيارات.
قياسات NIST، في تكرار دراسات أخرى تشير إلى وجود أول أكسيد الكربون في الهواء أقل مما يتوقعه NEI، وضعت أول الأرقام الدقيقة على المستويات المرجعية أو 'جرد' الملوثات في منطقة بولدر-دنفر.
قال المؤلف الرئيسي كيفن كوسيل: "المقارنة مع NEI تظهر مدى صعوبة إنشاء المخزونات، خاصة التي تغطي مناطق واسعة، وأنه من الضروري وجود بيانات تعود إلى المخزونات"، قال المؤلف الرئيسي كيفن كوسيل. "هذا ليس شيئا سيؤثر مباشرة على معظم الناس يوميا—المخزون يحاول فقط تكرار ما يحدث فعليا. ومع ذلك، لفهم وتوقع تأثيرات جودة الهواء والتلوث، يعتمد المصممون على الجرد، لذا من الضروري أن تكون الجردات صحيحة."
يخطط الباحثون لتحسين جهاز المشط الجديد بشكل أكبر. يخططون لتمديد المدى لمسافات أطول، كما تم إثبات النظام الأقرب بالأشعة تحت الحمراء. كما يخططون لتعزيز حساسية الكشف عن طريق زيادةضوءالطاقة وتعديلات أخرى، لتمكين اكتشاف غازات إضافية. وأخيرا، يعملون على جعل النظام أكثر إحكاما ومتانة. قد تساعد هذه التطورات في تحسين فهم جودة الهواء، وبشكل خاص تفاعل العوامل المؤثرة على تكوين الأوزون.