I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno aggiornato il loro strumento a pettine a frequenza laser per misurare contemporaneamente tre gas serra nell'aria:protossido di azoto, anidride carbonica e vapore acqueo, oltre ai principali inquinanti atmosferici ozono e monossido di carbonio.

In combinazione con una versione precedente del sistema che misura il metano, La tecnologia a doppio pettine del NIST è ora in grado di rilevare tutti e quattro i gas serra primari, che potrebbe aiutare a comprendere e monitorare le emissioni di questi gas che intrappolano il calore implicati nel cambiamento climatico. Il nuovissimo sistema a pettine può anche aiutare a valutare la qualità dell'aria urbana.

Questi strumenti NIST identificano le firme del gas misurando con precisione le quantità di luce assorbita a ciascun colore nell'ampio spettro laser mentre fasci appositamente preparati tracciano un percorso attraverso l'aria. Le applicazioni attuali includono il rilevamento di perdite da impianti di petrolio e gas e la misurazione delle emissioni del bestiame. I sistemi a pettine possono misurare un numero maggiore di gas rispetto ai sensori convenzionali che possono campionare l'aria in posizioni specifiche. I pettini offrono anche una maggiore precisione e una portata maggiore rispetto a tecniche simili che utilizzano altre fonti di luce.

L'ultimo progresso del NIST, descritto in un nuovo documento, sposta lo spettro della luce analizzata dal vicino infrarosso al medio infrarosso, consentendo l'identificazione di più e diversi gas. Il più vecchio, i sistemi a pettine nel vicino infrarosso possono identificare l'anidride carbonica e il metano ma non il protossido di azoto, ozono o monossido di carbonio.

I ricercatori hanno dimostrato il nuovo sistema su percorsi di andata e ritorno con lunghezze di 600 metri e 2 chilometri. La luce di due pettini di frequenza è stata combinata in fibra ottica e trasmessa da un telescopio situato in cima a un edificio del NIST a Boulder, Colorado. Un raggio è stato inviato a un riflettore situato su un balcone di un altro edificio, e un secondo raggio a un riflettore su una collina. La luce del pettine è rimbalzata sul riflettore ed è tornata nella posizione originale per l'analisi per identificare i gas nell'aria.

Un pettine di frequenza è un "righello" molto preciso per misurare i colori esatti della luce. Ogni "dente" del pettine identifica un colore diverso. Per raggiungere la parte del medio infrarosso dello spettro, il componente chiave è un materiale di cristallo appositamente progettato, noto come niobato di litio periodicamente polarizzato, che converte la luce tra due colori. Il sistema in questo esperimento divide la luce del vicino infrarosso da un pettine in due rami, utilizzato fibra speciale e amplificatori per ampliare e spostare lo spettro di ogni ramo in modo diverso e per aumentare la potenza, poi ricombinato i rami nel cristallo. Questo produceva luce nel medio infrarosso a una frequenza più bassa (lunghezza d'onda più lunga) che era la differenza tra i colori originali nei due rami.

Il sistema era abbastanza preciso da catturare le variazioni dei livelli atmosferici di tutti i gas misurati e concordava con i risultati di un sensore puntiforme convenzionale per monossido di carbonio e protossido di azoto. Un grande vantaggio nel rilevare più gas contemporaneamente è la capacità di misurare le correlazioni tra di loro. Per esempio, rapporti misurati tra anidride carbonica e protossido di azoto concordati con altri studi sulle emissioni da traffico. Inoltre, il rapporto tra monossido di carbonio in eccesso rispetto al biossido di carbonio concordava con studi urbani simili, ma era solo circa un terzo dei livelli previsti dal National Emissions Inventory (NEI) degli Stati Uniti. Questi livelli forniscono una misura dell'efficienza con cui si alimentano i combustibili nelle fonti di emissioni come le automobili.

Le misurazioni del NIST, facendo eco ad altri studi che suggeriscono che c'è meno monossido di carbonio nell'aria di quanto previsto dal NEI, mettere i primi numeri concreti sui livelli di riferimento o 'inventari' di inquinanti nell'area Boulder-Denver.

"Il confronto con il NEI mostra quanto sia difficile creare inventari, soprattutto che coprono vaste aree, e che è fondamentale disporre di dati da restituire agli inventari, " L'autore principale Kevin Cossel ha detto. "Questo non è qualcosa che avrà un impatto diretto sulla maggior parte delle persone su base giornaliera:l'inventario sta solo cercando di replicare ciò che sta realmente accadendo. Però, per comprendere e prevedere la qualità dell'aria e gli impatti dell'inquinamento, i modellisti si affidano agli inventari, quindi è fondamentale che gli inventari siano corretti".

I ricercatori hanno in programma di migliorare ulteriormente il nuovo strumento a pettine. Hanno in programma di estendere la portata a distanze maggiori, come già dimostrato per il vicino infrarosso. Hanno anche in programma di aumentare la sensibilità di rilevamento aumentando la potenza della luce e altre modifiche, per consentire il rilevamento di gas aggiuntivi. Finalmente, stanno lavorando per rendere il sistema più compatto e robusto. Questi progressi possono aiutare a migliorare la comprensione della qualità dell'aria, in particolare l'interazione dei fattori che influenzano la formazione dell'ozono.