Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) atualizaram seu instrumento de pente de frequência a laser para medir simultaneamente três gases de efeito estufa transportados pelo ar - óxido nitroso, dióxido de carbono e vapor de água - além dos principais poluentes atmosféricos, o ozônio e o monóxido de carbono.

Combinado com uma versão anterior do sistema que mede metano, A tecnologia de pente duplo do NIST agora pode detectar todos os quatro gases de efeito estufa primários, o que poderia ajudar a compreender e monitorar as emissões desses gases que retêm o calor, implicados nas mudanças climáticas. O mais novo sistema de pente também pode ajudar a avaliar a qualidade do ar urbano.

Esses instrumentos NIST identificam assinaturas de gás medindo com precisão as quantidades de luz absorvida em cada cor no amplo espectro do laser, à medida que feixes especialmente preparados traçam um caminho através do ar. As aplicações atuais incluem a detecção de vazamentos em instalações de petróleo e gás, bem como a medição de emissões de gado. Os sistemas de pente podem medir um número maior de gases do que os sensores convencionais que coletam amostras de ar em locais específicos. Os pentes também oferecem maior precisão e maior alcance do que técnicas semelhantes que usam outras fontes de luz.

Mais recente avanço do NIST, descrito em um novo artigo, muda o espectro de luz analisado do infravermelho próximo para o infravermelho médio, permitindo a identificação de mais e diferentes gases. O mais velho, sistemas de pente infravermelho próximo podem identificar dióxido de carbono e metano, mas não óxido nitroso, ozônio ou monóxido de carbono.

Os pesquisadores demonstraram o novo sistema em caminhos de ida e volta com comprimentos de 600 metros e 2 quilômetros. A luz de dois pentes de frequência foi combinada em fibra óptica e transmitida de um telescópio localizado no topo de um edifício do NIST em Boulder, Colorado. Um feixe foi enviado para um refletor localizado em uma varanda de outro edifício, e um segundo feixe para um refletor em uma colina. A luz do pente ricocheteou no refletor e voltou ao local original para análise para identificar os gases no ar.

Um pente de frequência é uma "régua" muito precisa para medir cores exatas de luz. Cada "dente" do pente identifica uma cor diferente. Para alcançar a parte do infravermelho médio do espectro, o componente principal é um material de cristal especialmente projetado, conhecido como niobato de lítio periodicamente polido, que converte luz entre duas cores. O sistema neste experimento dividiu a luz infravermelha próxima de um pente em dois ramos, usou fibra especial e amplificadores para ampliar e mudar o espectro de cada ramo de forma diferente e para aumentar a potência, em seguida, recombinei os ramos no cristal. Isso produzia luz infravermelha média em uma frequência mais baixa (comprimento de onda mais longo) que era a diferença entre as cores originais nos dois ramos.

O sistema foi preciso o suficiente para capturar variações nos níveis atmosféricos de todos os gases medidos e concordou com os resultados de um sensor de ponto convencional para monóxido de carbono e óxido nitroso. Uma grande vantagem em detectar vários gases de uma vez é a capacidade de medir as correlações entre eles. Por exemplo, proporções medidas de dióxido de carbono para óxido nitroso concordam com outros estudos de emissões do tráfego. Além disso, a proporção de monóxido de carbono em excesso versus dióxido de carbono concordou com estudos urbanos semelhantes, mas foi apenas cerca de um terço dos níveis previstos pelo Inventário Nacional de Emissões dos EUA (NEI). Esses níveis fornecem uma medida de quão eficientemente o combustível é queimado em fontes de emissões, como carros.

As medições NIST, em ecoar outros estudos, sugerindo que há menos monóxido de carbono no ar do que o NEI prevê, coloque os primeiros números concretos nos níveis de referência ou 'estoques' de poluentes na área de Boulder-Denver.

“A comparação com o NEI mostra como é difícil criar estoques, especialmente que cobrem grandes áreas, e que é fundamental ter dados para alimentar os estoques, O autor principal Kevin Cossel disse. “Isso não é algo que terá um impacto direto sobre a maioria das pessoas no dia a dia - o inventário está apenas tentando reproduzir o que está realmente acontecendo. Contudo, para compreender e prever os impactos da poluição e da qualidade do ar, modeladores confiam nos inventários, portanto, é fundamental que os estoques estejam corretos. "

Os pesquisadores planejam melhorar ainda mais o novo instrumento de pente. Eles planejam estender o alcance para distâncias maiores, como já demonstrado para o sistema infravermelho próximo. Eles também planejam aumentar a sensibilidade de detecção, aumentando a potência da luz e outros ajustes, para permitir a detecção de gases adicionais. Finalmente, eles estão trabalhando para tornar o sistema mais compacto e robusto. Esses avanços podem ajudar a melhorar a compreensão da qualidade do ar, especificamente a interação de fatores que influenciam a formação de ozônio.