Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben hun laserfrequentiekaminstrument geüpgraded om gelijktijdig drie broeikasgassen in de lucht te meten:lachgas, kooldioxide en waterdamp, plus de belangrijkste luchtverontreinigende stoffen ozon en koolmonoxide.

In combinatie met een eerdere versie van het systeem dat methaan meet, NIST's dubbele kamtechnologie kan nu alle vier de primaire broeikasgassen detecteren, die zouden kunnen helpen bij het begrijpen en monitoren van de emissies van deze warmtevasthoudende gassen die betrokken zijn bij klimaatverandering. Het nieuwste kamsysteem kan ook helpen bij het beoordelen van de luchtkwaliteit in de stad.

Deze NIST-instrumenten identificeren gassignaturen door nauwkeurig de hoeveelheden licht te meten die bij elke kleur in het brede laserspectrum worden geabsorbeerd, terwijl speciaal voorbereide stralen een pad door de lucht volgen. Huidige toepassingen zijn onder meer het opsporen van lekken van olie- en gasinstallaties en het meten van emissies van vee. De kamsystemen kunnen een groter aantal gassen meten dan conventionele sensoren die op specifieke locaties lucht bemonsteren. De kammen bieden ook een grotere precisie en een groter bereik dan vergelijkbare technieken die andere lichtbronnen gebruiken.

NIST's laatste vooruitgang, beschreven in een nieuw artikel, verschuift het spectrum van geanalyseerd licht van het nabij-infrarood naar het midden-infrarood, waardoor meer en verschillende gassen kunnen worden geïdentificeerd. De oudere, nabij-infraroodkamsystemen kunnen koolstofdioxide en methaan identificeren, maar geen lachgas, ozon of koolmonoxide.

Onderzoekers demonstreerden het nieuwe systeem over retourpaden met een lengte van 600 meter en 2 kilometer. Het licht van twee frequentiekammen werd gecombineerd in optische vezels en uitgezonden door een telescoop die zich bovenaan een NIST-gebouw in Boulder bevindt, Colorado. Eén straal werd naar een reflector op een balkon van een ander gebouw gestuurd, en een tweede bundel naar een reflector op een heuvel. Het kamlicht weerkaatste van de reflector en keerde terug naar de oorspronkelijke locatie voor analyse om de gassen in de lucht te identificeren.

Een frequentiekam is een zeer nauwkeurige "liniaal" voor het meten van exacte kleuren licht. Elke kam "tand" identificeert een andere kleur. Om het midden-infrarode deel van het spectrum te bereiken, het belangrijkste onderdeel is een speciaal ontworpen kristalmateriaal, bekend als periodiek gepoold lithiumniobaat, dat licht omzet tussen twee kleuren. Het systeem in dit experiment splitste het nabij-infrarode licht van één kam in twee takken, speciale vezels en versterkers gebruikt om het spectrum van elke tak anders te verbreden en te verschuiven en om het vermogen te vergroten, recombineerde vervolgens de takken in het kristal. Dit produceerde midden-infrarood licht met een lagere frequentie (langere golflengte) die het verschil was tussen de oorspronkelijke kleuren in de twee takken.

Het systeem was nauwkeurig genoeg om variaties in atmosferische niveaus van alle gemeten gassen vast te leggen en kwam overeen met de resultaten van een conventionele puntsensor voor koolmonoxide en lachgas. Een groot voordeel bij het detecteren van meerdere gassen tegelijk is de mogelijkheid om correlaties daartussen te meten. Bijvoorbeeld, gemeten verhoudingen van kooldioxide tot lachgas kwamen overeen met andere onderzoeken naar emissies door het verkeer. In aanvulling, de verhouding tussen overtollig koolmonoxide en kooldioxide kwam overeen met vergelijkbare stedelijke onderzoeken, maar was slechts ongeveer een derde van de niveaus die werden voorspeld door de Amerikaanse National Emissions Inventory (NEI). Deze niveaus geven een maatstaf voor hoe efficiënt brandstof wordt verbrand in emissiebronnen zoals auto's.

De NIST-metingen, in navolging van andere onderzoeken die suggereren dat er minder koolmonoxide in de lucht is dan de NEI voorspelt, zet de eerste harde cijfers op de referentieniveaus of 'inventarissen' van verontreinigende stoffen in het Boulder-Denver-gebied.

"De vergelijking met het NEI laat zien hoe moeilijk het is om voorraden aan te leggen, vooral die grote gebieden bestrijken, en dat het van cruciaal belang is om gegevens te hebben die kunnen worden teruggekoppeld naar de inventarissen, " hoofdauteur Kevin Cossel zei. "Dit is niet iets dat de meeste mensen van dag tot dag direct zal beïnvloeden - de inventaris probeert gewoon te repliceren wat er werkelijk gebeurt. Echter, voor het begrijpen en voorspellen van de gevolgen van luchtkwaliteit en vervuiling, modelbouwers vertrouwen op de inventarissen, dus het is van cruciaal belang dat de inventarissen correct zijn."

Onderzoekers zijn van plan het nieuwe kaminstrument verder te verbeteren. Ze zijn van plan het bereik uit te breiden naar langere afstanden, zoals reeds aangetoond voor het nabij-infraroodsysteem. Ze zijn ook van plan om de detectiegevoeligheid te vergroten door het lichtvermogen en andere tweaks te vergroten, om detectie van extra gassen mogelijk te maken. Eindelijk, ze werken eraan om het systeem compacter en robuuster te maken. Deze vorderingen kunnen bijdragen aan een beter begrip van de luchtkwaliteit, met name het samenspel van factoren die de vorming van ozon beïnvloeden.