Onderzoekers hebben aangetoond dat een nieuwe mid-infraroodspectrometer in iets meer dan 15 minuten nauwkeurig de verhoudingen van verschillende vormen van water - bekend als isotopologen - in atmosferische waterdamp door open lucht kan meten. Isotopologische verhoudingen, die kunnen worden beïnvloed door verdamping van water op het land en transpiratie van planten, worden gebruikt om modellen van klimaatverandering te ontwikkelen en om te begrijpen hoe water wereldwijd in de atmosfeer wordt getransporteerd.

"Open-pad-detectie met behulp van kammen met dubbele frequentie kan de isotopologische detectie van waterdamp in de lucht eenvoudiger en gemakkelijker toe te passen maken in afgelegen omgevingen. Een breder netwerk van isotopologische metingen zal bijdragen aan een betere numerieke weermodellering. zal ruimtelijk opgeloste studies van waterdamptransport over natuurlijke ecosystemen mogelijk maken, evenals door mensen ontworpen ecosystemen (bijv. boerderijen), "legde onderzoeker Daniel Herman, National Institute of Standards and Technology (NIST) uit. "Toekomstige verticale kolommetingen met kammen kunnen ook de kalibratieprocedures voor isotopologische metingen met behulp van satellieten verbeteren. Bovendien kan het detecteren van waterdamp met dubbele kammen ook een aanvulling vormen op andere opkomende luchtkwaliteitstoepassingen van breedband-midden-infraroodspectroscopie."

Daniel Herman van NIST zal de nieuwe bevindingen presenteren op de Optica Imaging en Applied Optics Congress, 11-15 juli 2022. Hermans lezing is gepland op 11 juli 2022, om 11.45 uur PDT.

Tegenwoordig vertrouwen wetenschappers op netwerken van puntsensoren om isotopologen in atmosferische waterdamp te analyseren. Hoewel deze netwerken zich uitbreiden, moeten ze zorgvuldig worden gekalibreerd om de nauwkeurigheid in de loop van de tijd en tussen locaties te behouden. Het detecteren van waterdamp in een pad in de open lucht kan de noodzaak voor kalibratie elimineren en het gemakkelijker maken om grootschalige verdamping boven reservoirs of over hele stroomgebieden vast te leggen.

Het nauwkeurig detecteren van meerdere isotopologen van waterdamp in de lucht vereist echter een midden-infraroodspectrometer met een hoge spectrale resolutie, hoge nauwkeurigheid en hoge meetsnelheden. Om dit te bereiken, ontwikkelden Herman en collega's een nieuwe open-path mid-infrared dual-comb spectrometer (DCS) die gebruik maakt van nabij-infrarode femtoseconde laserpulsen en speciaal ontworpen golfgeleiders om breedband midden-infraroodpulsen te creëren in een compact pakket.

De onderzoekers testten het nieuwe instrument door het te gebruiken om metingen uit te voeren over een pad van 760 meter bij het Platteville Atmospheric Observatory in Colorado. Ze ontdekten dat het instrument wekenlang in het veld kon werken zonder tussenkomst. Hierdoor konden ze gegevens van meerdere maanden verzamelen tijdens verschillende weersomstandigheden en temperaturen.

De metingen verkregen met behulp van het DCS correleerden goed met die verkregen met behulp van een puntsensornetwerk, wat het potentieel aantoont voor open-pad DCS bij het karakteriseren van atmosferische waterdamp.

Herman adds that "in order to expand isotopologue measurement networks, we are working to improve the accuracy of our technique by analyzing systematics in the detection setup. The sensitivity of the technique can be improved by using higher power combs to enable longer paths. Also, balanced detection technology will be implemented in the future to decrease technical noise." + Verder verkennen

Single laser produces high-power dual comb femtosecond pulses