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I ricercatori dell'Istituto di Fisica dell'Università Nicolaus Copernicus hanno partecipato alla ricerca sulle intensità delle linee armoniche. Anche i team del National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti e del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania hanno condotto le loro misurazioni. I calcoli teorici sono stati effettuati da un gruppo dell'University College London.
La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters .
"Finora, non c'è stato nessun caso in letteratura in cui le intensità delle linee armoniche molecolari misurate con tecniche diverse e in laboratori diversi concordano tra loro e allo stesso tempo con i risultati di calcoli teorici indipendenti", spiega La dott.ssa Katarzyna Bielska del Dipartimento di Fisica Atomica, Molecolare e Ottica dell'Università Nicolaus Copernicus, la prima autrice dell'articolo.
"È importante sottolineare che misurazioni così precise sono estremamente utili ovunque si voglia determinare spettroscopicamente il contenuto di sostanze, ad esempio negli studi dell'atmosfera terrestre, così come nell'analisi delle atmosfere di altri corpi celesti. Inoltre, le intensità riconosciute con precisione di linee armoniche possono essere utilizzate per scopi metrologici, ad esempio per sviluppare standard di temperatura o pressione."
Candidato ideale:monossido di carbonio
I ricercatori di Toruń sono principalmente coinvolti nella spettroscopia molecolare, e sono interessati allo studio degli spettri delle molecole (lo spettro ad alta risoluzione di una molecola relativamente piccola è costituito da migliaia di cosiddette righe armoniche), e in questo caso si sono particolarmente concentrati sulla misurazione dell'intensità delle linee armoniche.
Tutti e quattro i team hanno affrontato il monossido di carbonio, che è particolarmente appropriato per questo tipo di ricerca. Da un lato, è una molecola relativamente semplice, ma dal punto di vista dei calcoli quantomeccanici è già complessa, quindi è adatta sia per effettuare le misurazioni più precise sia per testare varie teorie.
"Il monossido di carbonio è 'amichevole' da un punto di vista sperimentale. È certamente pericoloso per noi, ma se sappiamo come affrontarlo, possiamo sfruttare appieno le opportunità che ci offre per la ricerca", afferma il dott. Bielska. "Ha una struttura spettrale abbastanza semplice ed è anche meno soggetto a complicazioni sperimentali causate dall'adsorbimento e dal desorbimento dalle pareti cellulari del campione rispetto all'acqua, per esempio."
Gruppi provenienti da Polonia, Germania, Stati Uniti e Regno Unito desideravano misurare le intensità delle linee di armonico del monossido di carbonio nel modo più accurato possibile e ottenere la massima coerenza possibile dei risultati. La precisione in questo settore è davvero fondamentale.
"Se conosco bene l'intensità della linea armonica e quindi misuro questa linea in un campione sconosciuto, posso quindi determinare qual è il contenuto di questa sostanza assorbente in quel campione. Per dirla ancora più chiaramente:se misuro l'intensità della linea nel mio campione di monossido di carbonio, e quindi eseguire una misurazione, ad esempio, nell'aria in una stanza particolare, quindi sono in grado di concludere da ciò che c'è esattamente quella quantità di monossido di carbonio in quella stanza", spiega il dott. Bielska. "Ed è per questo che il monossido di carbonio, o più precisamente la conoscenza delle intensità delle sue linee armoniche, è utile nelle applicazioni atmosferiche."
Tuttavia, è importante ricordare che quando si tratta di testare il contenuto di monossido di carbonio nell'atmosfera terrestre, l'accuratezza necessaria delle misurazioni è chiaramente definita dall'Organizzazione meteorologica mondiale:i confronti di laboratorio del contenuto di monossido di carbonio in un campione non dovrebbero differire di più di 2,5 promille.
"Questo 2,5 promille è già un'accuratezza molto alta. Sfortunatamente, finora, esaminando la letteratura scientifica sull'argomento, è emerso che le intensità delle stesse linee determinate in diversi laboratori o calcolate teoricamente da diversi gruppi di ricerca possono differire di fino a una piccola percentuale, ovvero 10, 20 volte in più rispetto alla precisione del promille che ci aspettiamo", afferma la dott.ssa Bielska.
Le molecole di monossido di carbonio sono significative nel processo di riscaldamento globale. Sebbene ce ne siano molti meno nell'atmosfera rispetto, ad esempio, alle molecole di anidride carbonica, hanno un maggiore potenziale di riscaldamento globale a causa delle reazioni chimiche in cui sono coinvolti nell'atmosfera, influenzando la vita di altre importanti molecole:metano e ozono. I requisiti per l'accuratezza delle misurazioni spettroscopiche del monossido di carbonio, come quelli di altri importanti gas serra, stanno quindi aumentando rapidamente.
Diversi percorsi verso l'obiettivo
Ogni gruppo ha scelto un metodo di misurazione diverso. I fisici della Nicolaus Copernicus University hanno basato la loro sulla dispersione della cavità ottica (CMDS), poiché hanno recentemente dimostrato che porta a risultati più accurati rispetto alle tecniche di assorbimento comunemente utilizzate. Vale la pena ricordare che il metodo CMDS stesso è stato sviluppato nello stesso gruppo di Toruń. Gli americani si sono concentrati sulla tecnica CRDS (il cosiddetto metodo della perdita di cavità, un metodo di assorbimento), che è stata inoltre sottoposta a procedure di calibrazione non standard per ottenere risultati più accurati. I tedeschi, d'altra parte, eseguivano le misurazioni utilizzando il metodo della spettroscopia di Fourier, una tecnica molto usata, ma anche in questo caso è stata perfezionata utilizzando procedure di calibrazione non standard. Inoltre, un gruppo di teorici di Londra ha svolto un'enorme quantità di lavoro. Tutte le squadre hanno raggiunto una consistenza migliore di 1 ballottaggio.
"Misurare con tecniche diverse ha il grande vantaggio di consentire una migliore verifica se si è verificato qualche errore sistematico. Tali errori si verificano e possono, ad esempio, far sì che tutte le intensità delle linee armoniche risultino troppo alte del 2%", spiega la dott.ssa Bielska . "Varie tecniche, diversi laboratori e misurazioni eseguite in modo indipendente riducono questo rischio. Inoltre, i calcoli teorici legano il tutto e lo confermano."
Forza nell'accordo e coerenza
"È qui che risiede il più grande risultato del nostro lavoro. Non solo abbiamo dimostrato che è possibile raggiungere un accordo e una coerenza promiscui, ma abbiamo anche mostrato come farlo. Inoltre, questo approccio può essere applicato anche ad altri, più molecole complesse. È una grande sfida, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, ma può essere affrontata", aggiunge la dott.ssa Bielska.
Il documento congiunto e le precedenti collaborazioni tra laboratori sono solo l'inizio. Al "consorzio" informale si sono già aggiunti team di scienziati di diverse università, istituti di ricerca e metrologia:vogliono continuare gli sforzi avviati ed eseguire misurazioni simultanee delle intensità delle linee armoniche di altre molecole. Il tutto con l'obiettivo di ottenere i risultati più accurati e fornire i dati di riferimento necessari per la ricerca atmosferica, la metrologia, la ricerca di base e molte altre aree della scienza moderna. + Esplora ulteriormente
