一項使用一對基於雷射的儀器的新技術，有朝一日可能幫助科學家更準確地探測被認為是造成氣候變化的溫室氣體的濃度。
美國國家標準與技術研究院（NIST）和國家海洋和大氣管理局的研究人員正在改進一種使用兩個頻率梳的方法，以間接測量相當長距離內的二氧化碳、甲烷和水蒸氣的含量。
單個頻率梳髮射出的雷射束包含許多不同的波長或光頻率，梳子的每個“齒”代表一個不同的頻率。不同氣體的濃度透過光的吸收量來測量。氣體含量越高，吸收量越高。
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為了使頻率梳更好地識別氣體吸收特徵，雷射束包含的光頻率太高，無法直接檢測到。為了看到在什麼波長下吸收了多少光，研究人員需要一種方法來分散頻率。
為了做到這一點，研究人員使用了第二個頻率梳，它的“齒”間距略有不同。
研究人員將筆記型電腦大小的感測器帶到科羅拉多州博爾德市的 NIST 實驗室的屋頂。他們將雷射束 направлять 向一塊臺地上的鏡子，鏡子將光束反射回實驗室的探測器。
梳子之間間距的差異與某些可測量的射頻相對應，並且可以與特定的溫室氣體相關聯。這次演示是首次證明該技術可以在戶外長距離工作。
研究人員一直在使用頻率梳技術來研究溫室氣體。然而，這些是首批能夠檢測相對較長距離內的多種氣體的行動式感測器。
用雷射“梳理”大氣
今天，科學家們透過使用單點感測器採集樣本來測量空氣中溫室氣體的濃度。為了估算發電廠周圍有多少二氧化碳，或者飼養場排放了多少甲烷，研究人員必須使用地面感測器從所需區域周圍進行多次測量，並從這些測量結果中推斷出給定區域內二氧化碳或甲烷的總量。
另一種測量氣體的方法是從飛機上進行點測量，這也使得實驗成本更高。
這兩種方法對於科學家來說都不是理想的。
“人們擔心的是代表性誤差，”參與這項研究的 NIST 物理學家內森·紐伯裡說。“這個樣本是否準確地代表了該區域？”
由於典型的地面感測器的範圍在幾米之內，因此諸如風或過往汽車的尾氣之類的變數可能會改變測量結果，從而導致溫室氣體濃度的不準確表示。
雙雷射頻率梳方法將有助於減少這種不確定性，因為研究人員可以連續測量相當長距離內的二氧化碳和甲烷的含量。
在演示實驗中，研究人員連續三天收集資料。這使他們能夠對整個路徑長度的結果進行平均，從而校正一些變異性。
這項技術還需要一兩年才能準備好在實驗室外使用，並且還需要更長的時間才能使其在更遠的距離和更廣泛的氣體光譜中有效。研究人員還希望一次測量多個路徑上的氣體。
紐伯裡說，目前，主要目標是幫助 NOAA 等機構更準確地表示更廣泛區域內的溫室氣體濃度。
“準確建模存在巨大問題。我們提供的資料越多，就越能幫助他們對模型更有信心，”他說。
監測石油和天然氣行業的迫切需求
最終，該儀器將成為 NOAA 維護的全球溫室氣體參考網路的一部分。但 NOAA 地球系統研究實驗室全球監測部門的科學家 Pieter Tans，也是該研究的共同作者說，科學家和監管機構已經感到迫切需要用它來監測石油和天然氣行業。
該行業是第二大甲烷排放源，甲烷是一種溫室氣體，在 20 年的時間尺度上，其效力是二氧化碳的 86 倍。 各公司每年都會向美國環保署報告其排放量，但科學家最近發現，他們可能低估了他們的數字。
“向環保署申報排放量的公司，他們有動機至少不要誇大其詞，”坦斯說。“因此，當我們對整個[石油和天然氣]田進行[甲烷]測量時，我們的數字總是傾向於高於排放清單，這並不奇怪。”
該儀器將透過連續追蹤一個區域內的溫室氣體來幫助科學家檢查 EPA 等清單的準確性。
到目前為止，這種連續測量是不可能的。相反，科學家們駕駛飛機和裝載甲烷嗅探器的移動貨車在油氣盆地周圍飛行，但他們的測量結果只是時間上的快照。
經 Environment & Energy Publishing, LLC. 許可，轉載自 Climatewire。 www.eenews.net, 202-628-6500