據(jù)外媒報道，美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員已經(jīng)升級了他們的激光頻率梳儀器以同時測量三種空氣中的溫室氣體--氧化亞氮、二氧化碳和水蒸氣--及主要的空氣污染物--臭氧和一氧化碳。結合早期版本的甲烷測量系統(tǒng)，NIST的雙梳技術現(xiàn)在可以感知所有四種主要的溫室氣體，這有助于理解和監(jiān)測這些跟氣候變化有關的吸熱氣體的排放。

最新的梳狀系統(tǒng)還可以幫助評估城市空氣質(zhì)量。

由于特制的光束會在空氣中追蹤一條路徑，所以NIST的儀器可以通過精確測量寬激光光譜中每一種顏色所吸收的光量來識別氣體特征。目前的應用包括檢測石油和天然氣裝置的泄漏，及測量牲畜的排放。跟傳統(tǒng)的傳感器相比，梳狀系統(tǒng)可以測量更多的氣體，而傳統(tǒng)傳感器只能在特定位置取樣。跟使用其他光源的類似技術相比，這種系統(tǒng)還能提供更高的精度和支持更長的距離。

NIST在新論文中描述的最新進展將分析的光譜從近紅外轉(zhuǎn)移到中紅外，這樣能使得識別出更多不同氣體成為可能。據(jù)悉，較老的近紅外梳狀系統(tǒng)可以識別二氧化碳和甲烷，但不能識別一氧化二氮、臭氧或一氧化碳。

研究人員在長度為600米和2公里的往返路徑上演示了新系統(tǒng)。來自兩個頻率梳的光在光纖中結合并從位于科羅拉多州博爾德的NIST建筑頂部的望遠鏡傳輸。其中一束被發(fā)送到另一棟建筑陽臺上的反射器上，另一束則被發(fā)送到山上的反射器上。梳狀光被反射器反射，然后返回到原來的位置進行分析以確定空氣中的氣體。

頻率梳是一種非常精確的“標尺”，它可以精確地測量光的顏色。每個梳子的“齒”都對應著不同的顏色。為了達到光譜的中紅外部分，關鍵成分是一種經(jīng)過特殊設計的晶體材料，其被稱為周期極化鈮酸鋰，它能在兩種顏色之間轉(zhuǎn)換光。本實驗的系統(tǒng)將一個梳子中的近紅外光分成兩個分支、利用特殊的光纖和放大器對每個分支的頻譜進行不同的擴寬和平移、提高功率，然后在晶體中重新組合這些分支。這就產(chǎn)生了較低頻率(較長波長)的中紅外光，這就是兩個分支原始顏色之間的差異。

這套系統(tǒng)足夠精確，其可以捕獲所有被測氣體的大氣水平變化，并且還能跟傳統(tǒng)的一氧化碳和一氧化二氮點傳感器的結果一致。同時檢測多種氣體的一個主要優(yōu)點是能測量它們之間的相關性。此外，過量一氧化碳跟二氧化碳的比例與類似的城市研究結果一致，但僅為美國國家排放清單(NEI)預測水平的1/3左右。這些水平提供了一種衡量燃料在汽車等排放源中燃燒效率的方法。

NIST的測量結果跟其他研究結果相呼應，這表明空氣中的一氧化碳含量比NEI預測的要少。NIST的測量結果將第一個硬性數(shù)字放在了博爾德-丹佛地區(qū)污染物的參考水平或“清單”上。

這項研究的論文首席作者Kevin Cossel表示：“跟NEI的比較表明，創(chuàng)建庫存是多么困難，尤其是涉及大面積的庫存并且有數(shù)據(jù)反饋庫存是至關重要的。這不會對大多數(shù)人的日常生活產(chǎn)生直接影響，庫存只是試圖復制實際情況。然而為了理解和預測空氣質(zhì)量和污染的影響，建模者確實依賴于清單，所以清單的正確性是至關重要的。”

研究人員計劃進一步改進這種新型梳狀儀器。他們計劃將覆蓋范圍擴大到更長的距離。他們還計劃通過增加光功率和其他調(diào)整來提高探測靈敏度從而使探測到更多的氣體成為可能。最后，他們正在努力使系統(tǒng)更加緊湊和健壯。這些進展可能有助于提高對空氣質(zhì)量的理解，特別是影響臭氧形成的因素之間的相互作用。

關鍵詞： 美NIST 激光“梳狀” 溫室氣體 空氣質(zhì)量