Onderzoekers van het Institute of Physics van de Nicolaus Copernicus University deden mee aan onderzoek naar de intensiteit van de boventoonlijnen. Teams van het National Institute of Standards and Technology in de VS en de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Duitsland voerden ook hun metingen uit. Theoretische berekeningen zijn uitgevoerd door een groep van het University College London.

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .

"Tot nu toe is er in de literatuur geen geval geweest waarin de intensiteiten van moleculaire boventoonlijnen gemeten met verschillende technieken en in verschillende laboratoria op een promille-niveau met elkaar en tegelijkertijd met de resultaten van onafhankelijke theoretische berekeningen overeenkomen", legt uit Dr. Katarzyna Bielska van de afdeling Atomic, Molecular and Optical Physics aan de Nicolaus Copernicus University, de eerste auteur van het artikel.

"Belangrijk is dat dergelijke nauwkeurige metingen uiterst nuttig zijn overal waar we het gehalte aan stoffen spectroscopisch willen bepalen, bijvoorbeeld in studies van de atmosfeer van de aarde, maar ook bij de analyse van de atmosferen van andere hemellichamen. Bovendien zijn de nauwkeurig herkende intensiteiten van boventoonlijnen kunnen worden gebruikt voor metrologische doeleinden, bijvoorbeeld om temperatuur- of druknormen te ontwikkelen."

Ideale kandidaat:koolmonoxide

De Toruń-onderzoekers houden zich voornamelijk bezig met moleculaire spectroscopie en zijn geïnteresseerd in het bestuderen van de spectra van moleculen (het spectrum met hoge resolutie van een relatief klein molecuul bestaat uit duizenden zogenaamde boventoonlijnen), en in dit geval richtten ze zich vooral op over het meten van de intensiteit van de boventoonlijnen.

Alle vier de teams hebben koolmonoxide aangepakt, wat bijzonder geschikt is voor dit soort onderzoek. Aan de ene kant is het een relatief eenvoudig molecuul, maar vanuit het oogpunt van kwantummechanische berekeningen is het al complex - dus het is zowel geschikt voor het maken van de meest nauwkeurige metingen als voor het testen van verschillende theorieën.

"Koolmonoxide is experimenteel gezien 'vriendelijk'. Het is weliswaar gevaarlijk voor ons, maar als we weten hoe we ermee moeten omgaan, kunnen we de kansen die het ons biedt voor onderzoek ten volle benutten", zegt Dr. Bielska. "Het heeft een vrij eenvoudige spectrale structuur en het is ook minder vatbaar voor experimentele complicaties veroorzaakt door adsorptie en desorptie van de monstercelwanden dan bijvoorbeeld water."

Groepen uit Polen, Duitsland, de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk wilden de intensiteit van de boventoonlijnen van koolmonoxide zo nauwkeurig mogelijk meten en de grootst mogelijke consistentie van resultaten bereiken. Precisie op dit gebied is inderdaad cruciaal.

"Als ik de intensiteit van de boventoonlijn goed ken, en deze lijn dan meet in een onbekend monster, kan ik dan bepalen wat het gehalte van deze absorberende stof in dat monster is. Om het nog duidelijker te zeggen:als ik de intensiteit meet van de lijn in mijn koolmonoxidemonster, en dan een meting doen, bijvoorbeeld in de lucht in een bepaalde kamer, dan kan ik hieruit concluderen dat er precies zoveel koolmonoxide in die kamer zit", legt dr. Bielska. "En dit is de reden waarom koolmonoxide, of meer precies de kennis van de intensiteiten van zijn boventoonlijnen, nuttig is in atmosferische toepassingen."

Het is echter belangrijk om te onthouden dat als het gaat om het testen van het koolmonoxidegehalte van de atmosfeer van de aarde, de noodzakelijke nauwkeurigheid van metingen duidelijk wordt gedefinieerd door de Wereld Meteorologische Organisatie - laboratoriumvergelijkingen van het koolmonoxidegehalte in een monster mogen niet meer verschillen dan 2,5 promille.

"Deze 2,5 promille is al een zeer hoge nauwkeurigheid. Helaas is tot nu toe bij het bekijken van de wetenschappelijke literatuur over dit onderwerp gebleken dat de intensiteiten van dezelfde lijnen, bepaald in verschillende laboratoria of theoretisch berekend door verschillende onderzoeksgroepen, kunnen verschillen door tot een paar procent, d.w.z. 10, 20 keer meer dan de promille-nauwkeurigheid die we verwachten", zegt Dr. Bielska.

Koolmonoxidemoleculen zijn belangrijk in het proces van opwarming van de aarde. Hoewel er veel minder van in de atmosfeer zijn dan bijvoorbeeld koolstofdioxidemoleculen, hebben ze een groter aardopwarmingsvermogen vanwege de chemische reacties waarbij ze betrokken zijn in de atmosfeer, wat de levensduur van andere belangrijke moleculen beïnvloedt:methaan en ozon. De eisen voor de nauwkeurigheid van spectroscopische metingen van koolmonoxide, zoals die van andere grote broeikasgassen, nemen dan ook snel toe.

Verschillende routes naar het doel

Elke groep koos een andere meetmethode. De natuurkundigen van de Nicolaus Copernicus Universiteit baseerden zich op optische holtedispersie (CMDS), omdat ze onlangs hebben aangetoond dat dit leidt tot resultaten die nauwkeuriger zijn dan veelgebruikte absorptietechnieken. Het is vermeldenswaard dat de CMDS-methode zelf is ontwikkeld in dezelfde Toruń-groep. De Amerikanen richtten zich op de CRDS-techniek (de zogenaamde holteverliesmethode, een absorptiemethode), die bovendien werd onderworpen aan niet-standaard kalibratieprocedures om nauwkeurigere resultaten te verkrijgen. De Duitsers daarentegen voerden metingen uit met behulp van de Fourier-spectroscopiemethode - een veelgebruikte techniek, maar ook in dit geval werd deze verfijnd met behulp van niet-standaard kalibratieprocedures. Daarnaast is er enorm veel werk verzet door een groep theoretici uit Londen. Alle teams behaalden een consistentie van meer dan 1 promille.

"Meten met verschillende technieken heeft het grote voordeel dat er beter kan worden gecontroleerd of er een systematische fout is opgetreden. Dergelijke fouten komen voor en kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat alle boventoonlijnintensiteiten 2 procent te hoog uitkomen", legt Dr. Bielska uit. . "Verschillende technieken, verschillende laboratoria en onafhankelijk uitgevoerde metingen verminderen dit risico. Bovendien verbinden theoretische berekeningen alles met elkaar en bevestigen het."

Sterkte in overeenstemming en consistentie

"Dit is waar de grootste prestatie van ons werk ligt. We hebben niet alleen laten zien dat het mogelijk is om promille-overeenkomst en consistentie te bereiken, maar we hebben ook laten zien hoe het moet. Bovendien kan deze aanpak ook worden toegepast op andere, meer complexe moleculen. Het is een grote uitdaging, zowel theoretisch als experimenteel, maar het kan worden aangepakt", voegt Dr. Bielska toe.

De gezamenlijke paper en eerdere samenwerkingen tussen laboratoria zijn nog maar het begin. Het informele "consortium" wordt al vergezeld door teams van wetenschappers van verschillende universiteiten, onderzoeks- en metrologische instellingen - ze willen de begonnen inspanningen voortzetten en gelijktijdige metingen uitvoeren van de intensiteit van de boventoonlijnen van andere moleculen. Allemaal met als doel de meest nauwkeurige resultaten te bereiken en de referentiegegevens te leveren die nodig zijn voor atmosferisch onderzoek, metrologie, basisonderzoek en vele andere gebieden van de moderne wetenschap. + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken fluordopingmethode om katalysatoren te bouwen met verbeterde prestaties