一项使用一对基于激光的仪器的新技术，有朝一日可能帮助科学家更准确地探测被认为是造成气候变化的温室气体的浓度。
美国国家标准与技术研究院（NIST）和国家海洋和大气管理局的研究人员正在改进一种使用两个频率梳的方法，以间接测量相当长距离内的二氧化碳、甲烷和水蒸气的含量。
单个频率梳发射出的激光束包含许多不同的波长或光频率，梳子的每个“齿”代表一个不同的频率。不同气体的浓度通过光的吸收量来测量。气体含量越高，吸收量越高。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
为了使频率梳更好地识别气体吸收特征，激光束包含的光频率太高，无法直接检测到。为了看到在什么波长下吸收了多少光，研究人员需要一种方法来分散频率。
为了做到这一点，研究人员使用了第二个频率梳，它的“齿”间距略有不同。
研究人员将笔记本电脑大小的传感器带到科罗拉多州博尔德市的 NIST 实验室的屋顶。他们将激光束 направлять 向一块台地上的镜子，镜子将光束反射回实验室的探测器。
梳子之间间距的差异与某些可测量的射频相对应，并且可以与特定的温室气体相关联。这次演示是首次证明该技术可以在户外长距离工作。
研究人员一直在使用频率梳技术来研究温室气体。然而，这些是首批能够检测相对较长距离内的多种气体的便携式传感器。
用激光“梳理”大气
今天，科学家们通过使用单点传感器采集样本来测量空气中温室气体的浓度。为了估算发电厂周围有多少二氧化碳，或者饲养场排放了多少甲烷，研究人员必须使用地面传感器从所需区域周围进行多次测量，并从这些测量结果中推断出给定区域内二氧化碳或甲烷的总量。
另一种测量气体的方法是从飞机上进行点测量，这也使得实验成本更高。
这两种方法对于科学家来说都不是理想的。
“人们担心的是代表性误差，”参与这项研究的 NIST 物理学家内森·纽伯里说。“这个样本是否准确地代表了该区域？”
由于典型的地面传感器的范围在几米之内，因此诸如风或过往汽车的尾气之类的变量可能会改变测量结果，从而导致温室气体浓度的不准确表示。
双激光频率梳方法将有助于减少这种不确定性，因为研究人员可以连续测量相当长距离内的二氧化碳和甲烷的含量。
在演示实验中，研究人员连续三天收集数据。这使他们能够对整个路径长度的结果进行平均，从而校正一些变异性。
这项技术还需要一两年才能准备好在实验室外使用，并且还需要更长的时间才能使其在更远的距离和更广泛的气体光谱中有效。研究人员还希望一次测量多个路径上的气体。
纽伯里说，目前，主要目标是帮助 NOAA 等机构更准确地表示更广泛区域内的温室气体浓度。
“准确建模存在巨大问题。我们提供的数据越多，就越能帮助他们对模型更有信心，”他说。
监测石油和天然气行业的迫切需求
最终，该仪器将成为 NOAA 维护的全球温室气体参考网络的一部分。但 NOAA 地球系统研究实验室全球监测部门的科学家 Pieter Tans，也是该研究的共同作者说，科学家和监管机构已经感到迫切需要用它来监测石油和天然气行业。
该行业是第二大甲烷排放源，甲烷是一种温室气体，在 20 年的时间尺度上，其效力是二氧化碳的 86 倍。 各公司每年都会向美国环保署报告其排放量，但科学家最近发现，他们可能低估了他们的数字。
“向环保署申报排放量的公司，他们有动机至少不要夸大其词，”坦斯说。“因此，当我们对整个[石油和天然气]田进行[甲烷]测量时，我们的数字总是倾向于高于排放清单，这并不奇怪。”
该仪器将通过连续追踪一个区域内的温室气体来帮助科学家检查 EPA 等清单的准确性。
到目前为止，这种连续测量是不可能的。相反，科学家们驾驶飞机和装载甲烷嗅探器的移动货车在油气盆地周围飞行，但他们的测量结果只是时间上的快照。
经 Environment & Energy Publishing, LLC. 许可，转载自 Climatewire。 www.eenews.net, 202-628-6500